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特許7441172コンプライアンス弾性部材および重量補償弾性部材を有するサーボ弾性アクチュエータシステムを備えるワークピース加工装置
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-02-20
(45)【発行日】2024-02-29
(54)【発明の名称】コンプライアンス弾性部材および重量補償弾性部材を有するサーボ弾性アクチュエータシステムを備えるワークピース加工装置
(51)【国際特許分類】
B23Q 5/36 20060101AFI20240221BHJP
B23K 26/02 20140101ALI20240221BHJP
B23K 26/00 20140101ALI20240221BHJP
B23K 20/10 20060101ALI20240221BHJP
B23K 20/12 20060101ALI20240221BHJP
B29C 65/08 20060101ALI20240221BHJP
B29C 65/16 20060101ALI20240221BHJP
B29C 65/06 20060101ALI20240221BHJP
G05D 3/12 20060101ALI20240221BHJP
【ＦＩ】
B23Q5/36
B23K26/02 A
B23K26/00 A
B23K20/10
B23K20/12 D
B29C65/08
B29C65/16
B29C65/06
G05D3/12 Z
【請求項の数】
13
(21)【出願番号】P 2020545312
(86)(22)【出願日】2019-02-20
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2021-06-24
(86)【国際出願番号】 US2019018759
(87)【国際公開番号】W WO2019168720
(87)【国際公開日】2019-09-06
【審査請求日】2021-12-28
(31)【優先権主張番号】62/636,366
(32)【優先日】2018-02-28
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】16/156,456
(32)【優先日】2018-10-10
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(73)【特許権者】
【識別番号】501410126
【氏名又は名称】ブランソン・ウルトラソニックス・コーポレーション
(74)【代理人】
【識別番号】110001173
【氏名又は名称】弁理士法人川口國際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】ルリー，サミュエル
(72)【発明者】
【氏名】ガブル，トーマス
(72)【発明者】
【氏名】コールドウェル，スコット
(72)【発明者】
【氏名】アービン，マーク
【審査官】増山 慎也
(56)【参考文献】
【文献】米国特許出願公開第２０１７／０１２９０６２（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開２００３－１０３４４６（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１７／１３０９１１（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開平０４－３７２３４４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００６－２９７５２０（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｂ２３Ｑ ５／３６
Ｂ２３Ｑ １７／０９
Ｂ２３Ｋ ２６／００、０２
Ｂ２３Ｋ ２０／１０
Ｂ２３Ｋ ２０／１２
Ｂ２３Ｋ ３１／０２
Ｂ２３Ｋ ３７／００、０４
Ｂ２４Ｂ １／０４
Ｂ２６Ｄ ７／０８
Ｂ２９Ｃ ６５／０６、０８、１６
Ｇ０５Ｄ ３／１２
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
ワークピース加工装置であって、工具装置およびワークピースホルダと、
工具装置およびワークピースホルダの一方を工具装置およびワークピースホルダの他方に移動させる、精密力および位置を同時に制御するサーボ弾性アクチュエータシステムと、
を備え、
サーボ弾性アクチュエータシステムが、力の伝達経路内に配置された、サーボアクチュエータ、コンプライアンス弾性部材および重量補償弾性部材を含み、コンプライアンス弾性部材および重量補償弾性部材が、重量補償弾性部材によって加えられるばね力が、コンプライアンス弾性部材によって加え得られるばね力に対向し、かつ、力対位置感度比がコンプライアンス弾性部材のばね定数と重量補償弾性部材のばね定数との組合せである複合ばね定数に等しくなるように、互いに対して配置され、ワークピース加工装置が、サーボアクチュエータに結合されたコントローラをさらに備え、
コントローラは、コンプライアンス弾性部材が、コンプライアンス弾性部材と重量補償弾性部材との組み合わせのばね撓みに基づいて偏向されるときに、ワークピースホルダによって保持されたワークピースに加えられる力を決定し、複合ばね定数に基づいてサーボアクチュエータの力および位置を同時に制御するように構成される、ワークピース加工装置。
【請求項2】
コンプライアンス弾性部材が、圧縮か引張のいずれかの状態にあり、重量補償弾性部材もまた圧縮か引張のいずれかの状態にある、請求項１に記載のワークピース加工装置。
【請求項3】
ワークピースホルダがサーボアクチュエータの下に配置され、コンプライアンス弾性部材および重量補償弾性部材がサーボアクチュエータと工具装置との間に配置され、重量補償弾性部材が工具装置の重量を支持するように配置される、請求項２に記載のワークピース加工装置。
【請求項4】
ワークピースホルダがサーボアクチュエータの下に配置され、コンプライアンス弾性部材および重量補償弾性部材がサーボアクチュエータとワークピース加工装置のフレームとの間に配置され、重量補償弾性部材がサーボアクチュエータおよび工具装置の重量を支持するように配置される、請求項２に記載のワークピース加工装置。
【請求項5】
ワークピースホルダがサーボアクチュエータの上に配置され、重量補償弾性部材がワークピースホルダの重量を支持するように配置される、請求項２に記載のワークピース加工装置。
【請求項6】
コントローラは、ワークピースに加えられている力が力の設定値に達するとワークピースに加えられている力を力の設定値で維持するために、ワークピースに加えられる力および力の設定値、ならびにサーボアクチュエータの動きを制御することに基づいてサーボアクチュエータの端部位置への動きを制御するように構成される、請求項１に記載のワークピース加工装置。
【請求項7】
コンプライアンス弾性部材に重量補償弾性部材を組み合わせたものの両側に配置され、コントローラに結合された第１の位置センサおよび第２の位置センサを含み、コントローラは、コンプライアンス弾性部材および重量補償弾性部材がサーボアクチュエータの動きによって偏向されるときに第１の位置センサおよび第２の位置センサによって感知された位置に基づいてコンプライアンス弾性部材に重量補償弾性部材を組み合わせたもののばね撓みを決定するように構成される、請求項１に記載のワークピース加工装置。
【請求項8】
コンプライアンス弾性部材に重量補償弾性部材を組み合わせたものの両端間に配置された位置センサを含み、位置センサは、コンプライアンス弾性部材および重量補償弾性部材が偏向されるときにコンプライアンス弾性部材に重量補償弾性部材を組み合わせたもののばね撓みを感知し、位置センサがコントローラに結合されている、請求項１に記載のワークピース加工装置。
【請求項9】
ワークピースに加えられている力を感知する、コントローラに結合された力センサを含む、請求項６に記載のワークピース加工装置。
【請求項10】
サーボアクチュエータの位置を感知する位置センサを含み、位置センサがコントローラに結合され、コントローラが、位置センサおよび位置設定値によって感知された位置に基づいてサーボアクチュエータの最大移動量を制限するように構成される、請求項６に記載のワークピース加工装置。
【請求項11】
コントローラが、オーバーシュート距離補償と、位置センサおよび位置設定値によって感知された位置とに基づいて、サーボアクチュエータの最大移動量を制限するように構成される、請求項１０に記載のワークピース加工装置。
【請求項12】
力の伝達経路が、直線力伝達経路または回転力伝達経路である、請求項１に記載のワークピース加工装置。
【請求項13】
ワークピース加工装置が、超音波溶接機、振動溶接機、レーザ溶接機、熱溶接機、スピン溶接機、赤外線溶接機、または超音波カッタのいずれかである、請求項１に記載のワークピース加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１８年１０月１０日に出願された米国特許出願第１６／１５６，４５６号明細書の優先権を主張するものであり、２０１８年２月２８日に出願された米国特許仮出願第６２／６３６，３６６号明細書の利益も主張するものである。上記の出願の開示全体が参照により本明細書に組み込まれるものとする。
本出願は、２０１８年１０月１０日に出願された米国特許出願第１６／１５６，４５６号明細書の優先権を主張するものであり、２０１８年２月２８日に出願された米国特許仮出願第６２／６３６，３６６号明細書の利益も主張するものである。上記の出願の開示全体が参照により本明細書に組み込まれるものとする。
【0002】
技術分野
本開示は、重量補償弾性部材の精密な力（ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｆｏｒｃｅ）および位置を同時に制御するサーボ弾性アクチュエータシステム（ｓｅｒｖｏ－ｅｌａｓｔｉｃ ａｃｔｕａｔｏｒ ｓｙｓｔｅｍ）を備えたワークピース加工装置（ｗｏｒｋ ｐｉｅｃｅ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ）に関する。
本開示は、重量補償弾性部材の精密な力（ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｆｏｒｃｅ）および位置を同時に制御するサーボ弾性アクチュエータシステム（ｓｅｒｖｏ－ｅｌａｓｔｉｃ ａｃｔｕａｔｏｒ ｓｙｓｔｅｍ）を備えたワークピース加工装置（ｗｏｒｋ ｐｉｅｃｅ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ）に関する。
【背景技術】
【0003】
このセクションは、必ずしも先行技術ではない、本開示に関連する背景情報を提供する。
【0004】
本明細書で使用されるワークピース加工装置は、ワークピースの加工中にワークピース（または複数のワークピース）に力を加える装置である。いくつかの装置では、力は、溶接などにおけるワークピース（または複数のワークピース）に対する作業の一部であるとともに、その作業の遂行に寄与し、他の場合では、力は、ワークピースに対する作業の遂行の一部ではなく、むしろ、作業がワークピースに対して実行されるときにワークピースを適所にクランプ締めするために加えられる。この種のワーク加工装置は、工具をワークピースに対して動かすか、加工中にクランプをワークピースに当ててワークピースを適所に保持するなどにより、ワークピースに力を加えるアクチュエータを有する。この種のワークピース加工装置は、溶接、かしめ、スエージング、切断など、力がワークピースに加えられる、プラスチックまたは金属の超音波加工、振動加工、レーザ加工、熱加工、スピン加工、または赤外線加工のための装置を含むことができる。加工中にワークピースに力を加えるワークピース加工装置には、力と位置の両方を制御することができるアクチュエータが必要である。
【0005】
空気圧アクチュエータは、相対的に硬い表面と接触しているときにアクチュエータの位置に関係なく一定の力を与えるのが得意であるが、位置を制御するのにあまり精密ではない。一方、サーボアクチュエータは、位置制御は精密であるが、相対的に非柔軟性の（ｎｏｎ－ｃｏｍｐｌｉａｎｔ）または硬い表面と接触しているときに力を制御するのはそれほど得意ではない。サーボアクチュエータは、位置制御のためにサーボアクチュエータの出力のフィードバックを使用して、電気入力信号に応答して機械システムにおける位置制御された運動を提供する機構である。
【0006】
超音波溶接、振動溶接、レーザ溶接、熱溶接、スピン溶接、赤外線溶接、および超音波切断にサーボアクチュエータを使用すると、位置を１０００分の１インチのオーダで非常に正確に制御することができるが、力をプラスマイナス４０ポンド未満に制御することはできない。この問題は、溶接中に押し付けられるワークピースの材料が相対的非コンプライアンスであることから生じる。サーボアクチュエータは位置を１０００分の１インチ以内に分解することができるが、押し付けられる材料の剛性を考えると、この小さな相対運動は、力の大きな変化をもたらし、典型的なプラスチック片では約４０ポンド程度となり、金属片ではさらに高くなる。こうした力対位置感度の問題は、制御システムがサーボアクチュエータにとってどれほど優れているかに関係なく、相対的に柔軟性の無い表面を押圧するときのサーボアクチュエータに固有のものである。
【0007】
サーボアクチュエータは、多くの場合、「Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｐｒｅｓｓ Ｕｓｉｎｇ Ｓｅｒｖｏ Ｍｏｔｏｒ ｗｉｔｈ Ｄｅｌａｙｅｄ Ｍｏｔｉｏｎ」という名称の米国特許第８，７２０，５１６号明細書に記載されているような、ある程度の力の制御を与えるトルク制御モードを有する。しかしこの場合も、押し付けられる表面が非コンプライアンスであるため、力は全荷重の高い割合で変化する。
【0008】
サーボアクチュエータを用いて力を精密に制御する先行技術における、よく理解されている一方法が、サーボアクチュエータを長移動量のばねに押し付けることである。この方法は、非常に優れた力制御を与えるが、位置制御を全く有していない。「Ｃｏｍｐｌｉａｎｔ Ｍｏｔｉｏｎ Ｓｅｒｖｏ」という名称の米国特許第４，８１７，８４８号明細書は、力を制御するサーボアクチュエータ付きの長移動量のばねの使用を開示しているが、運動の終わりに閉ループ位置制御に切り替わり、したがってプロセスの終わりに力の制御を喪失する。
【0009】
「超音波溶接装置、超音波接合方法、布線装置」という名称の特開２０１３－０６３５２１号公報は、本体フレーム１０に対してスライド自在な超音波摺動ユニット４０に取り付けられた工具ホーン４４をワークピースに押圧して超音波溶接を行う超音波溶接を開示しており、超音波溶接は、工具ホーン４４の移動量を測定する第１のリニアスケール５０と、超音波摺動ユニットを押圧する圧縮ばねと、圧縮ばねを圧縮する駆動手段２８と、圧縮ばねの圧縮量を測定する第２のリニアスケール５１と、圧縮ばねによる押圧力を測定するロードセル４５と、を含む。駆動手段２８を駆動して圧縮ばねを圧縮したときに、ロードセル４５によって測定された圧縮ばねによる押圧力と、第１のリニアスケール５０によって測定された工具ホーンの移動量と、第２のリニアスケール５１によって測定された圧縮ばねの圧縮量とが、駆動手段２８にフィードバックされ、ワークピースに任意選択の押圧力を付与しながら超音波溶接を行うように制御される。しかしながら、圧縮ばねが圧縮のみの状態にあり得るときに、工具ホーンおよびキャリッジの重量は底値に達し、システムは、工具ホーンおよびキャリッジの重量負荷未満の力で溶接されるワークピースに及ぼされる力を区別することができない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0010】
【文献】米国特許第８，７２０，５１６号明細書
【文献】米国特許第４，８１７，８４８号明細書
【文献】特開２０１３－０６３５２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0011】
多くのプロセスでは、精密な位置制御を維持しながら、作動の精密な力制御が必要である。具体的には、溶接、かしめ、スエージング、切断など、力がワークピースに加えられるプラスチックまたは金属の超音波加工、振動加工、レーザ加工、熱加工、スピン加工、または赤外線加工では、作動の精密力制御と位置制御を同時に行う必要がある。
【課題を解決するための手段】
【0012】
このセクションは、本開示の一般的な概要を提供し、その全範囲またはその特徴のすべての包括的な開示ではない。
【0013】
本開示の一態様によれば、ワークピース加工装置が、工具装置と、ワークピースホルダと、工具装置およびワークピースホルダの一方を工具装置およびワークピースホルダの他方に移動させる、精密な力および位置を同時に制御するサーボ弾性アクチュエータシステムと、を含む。サーボアクチュエータシステムは、力の伝達経路内に配置されたサーボアクチュエータ、コンプライアンス弾性部材（ｃｏｍｐｌｉａｎｃｅ ｅｌａｓｔｉｃ ｍｅｍｂｅｒ）および重量補償弾性部材を含み、コンプライアンス弾性部材および重量補償弾性部材は、重量補償弾性部材によって及ぼされるばね力がコンプライアンス弾性部材によって及ぼされるばね力に向かい合わされるように、互いに対して配置される。
【0014】
一態様では、コンプライアンス弾性部材は圧縮か引張のいずれかの状態にあり、重量補償弾性部材もまた圧縮か引張のいずれかの状態にある。
【0015】
一態様では、ワークピースホルダはサーボアクチュエータの下に配置され、コンプライアンス弾性部材および重量補償弾性部材はサーボアクチュエータと工具装置との間に配置され、重量補償弾性部材は工具装置の重量を支持するように配置される。
【0016】
一態様では、ワークピースホルダはサーボアクチュエータの下に配置され、コンプライアンス弾性部材および重量補償弾性部材はサーボアクチュエータとワークピース加工装置のフレームとの間に配置され、重量補償弾性部材は、サーボアクチュエータおよび工具装置の重量を支持するように配置される。
【0017】
一態様では、ワークピースホルダはサーボアクチュエータの上に配置され、重量補償弾性部材はワークピースホルダの重量を支持するように配置される。
【0018】
一態様によれば、コントローラがサーボアクチュエータに結合され、コントローラは、ワークピースホルダおよび力設定値によって保持されたワークピースに加えられている力、ワークピースに加えられている力が力設定値に達するとワークピースに加えられている力を力設定値に維持するようにサーボアクチュエータを動かすこと、およびサーボアクチュエータが最大移動量に達したときにサーボアクチュエータの動きを停止することに基づいてサーボアクチュエータの端部位置への動きを制御するように構成される。
【0019】
一態様によれば、コントローラは、コンプライアンス弾性部材に重量補償弾性部材を組み合わせたものがこの２つの弾性部材のばね撓みに基づいて偏向されるときに、ワークピースに加えられている力を決定するように構成される。
【0020】
一態様によれば、第１の位置センサおよび第２の位置センサは、コンプライアンス弾性部材と重量補償弾性部材の組合せの両側に配置され、コントローラに結合される。コントローラは、この２つの弾性部材がサーボアクチュエータの動きによって偏向されるときに第１の位置センサおよび第２の位置センサによって感知された位置に基づいてこの２つの弾性部材の組合せのばね撓みを決定するように構成される。
【0021】
一態様によれば、この２つの弾性部材が偏向されるときに、この２つの弾性部材の組合せのばね撓みを感知する位置センサが、コンプライアンス弾性部材と重量補償弾性部材の組合せの両端間に配置される。位置センサはコントローラに結合される。
【0022】
一態様によれば、ワークピースに加えられている力を感知する力センサがコントローラに結合される。一態様によれば、力センサは、サーボモータとアクチュエータ部材との間に加えられたトルクを感知するトルクセンサである。
【0023】
一態様によれば、コントローラは、位置センサおよび位置設定値によって感知された位置に基づいてサーボアクチュエータの最大移動量を制限するように構成される。
【0024】
一態様では、コントローラは、オーバーシュート距離補償（ｏｖｅｒｓｈｏｏｔ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ）ならびに位置センサおよび位置設定値によって感知された位置に基づいてサーボアクチュエータの最大移動量を制限するように構成される。
【0025】
一態様では、ワークピース加工装置は、超音波溶接機、振動溶接機、レーザ溶接機、熱溶接機、スピン溶接機、赤外線溶接機、または超音波カッタのいずれかである。
【0026】
適用可能なさらなる分野は、本明細書に提供される記述から明らかになるであろう。この概要における記述および具体例は、例示するためだけのものであり、本開示の範囲を限定するものではない。
【0027】
本明細書で説明される図面は、選択された実施形態の例示のみを目的としており、すべての可能な実施態様ではなく、本開示の範囲を限定するものではない。図面の向きは、加工されているワークピースに対するサーボ弾性アクチュエータシステムの実際の向きを限定するものではない。「内側の（ｉｎｎｅｒ）」、「外側の（ｏｕｔｅｒ）」、「～の真下に（ｂｅｎｅａｔｈ）」、「～の下に（ｂｅｌｏｗ）」、「下方の（ｌｏｗｅｒ）」、「～の上に（ａｂｏｖｅ）」、「上方の（ｕｐｐｅｒ）」、などの空間的に相対的な用語は、本明細書では説明しやすいように、諸図に示されているように１つの要素または特徴と別の要素または特徴との関係を説明するために使用され得る。空間的に相対的な用語は、諸図に示されている向きに加えて、使用中または動作中の装置の様々な向きを包含するように意図されている。例えば、図中の装置がひっくり返された場合、他の要素または特徴「の下に」または「の真下に」と記述される要素は、他の要素または特徴「の上に」向けられる。したがって、用語例「～の下に」は、上の向きと下の向きの両方を包含することができる。装置は、他の方法で方向付けられ（９０度または他の向きに回転させられ）、本明細書で使用される空間的に相対的な記述子はそれに応じて解釈される。
【図面の簡単な説明】
【0028】
【図12】本開示の一態様による、圧縮状態のみのコンプライアンス弾性部材および圧縮状態のみの重量補償弾性部材を有するサーボ弾性アクチュエータシステムを備える、ワークピース加工装置の一部の簡略図である。
【図13】本開示の一態様による、圧縮状態のみのコンプライアンス弾性部材および引張状態のみの重量補償弾性部材を有するサーボ弾性アクチュエータシステムを備える、ワークピース加工装置の一部の簡略図である。
【図14】本開示の一態様による、引張状態のみのコンプライアンス弾性部材および引張状態のみの重量補償弾性部材を有するサーボ弾性アクチュエータシステムを備える、ワークピース加工装置の一部の図である。
【図15】本開示の一態様による、引張状態のみのコンプライアンス弾性部材および圧縮状態のみの重量補償弾性部材を有するサーボ弾性アクチュエータシステムを備えるワークピース加工装置の一部の図である。
【図16】本開示の一態様による、サーボアクチュエータと工具装置との間に配置された弾性部材組合せ体を有するサーボ弾性アクチュエータシステムを備える、ワークピース加工装置の簡略図である。
【図17】本開示の一態様による、サーボアクチュエータとフレームとの間に配置された弾性部材組合せ体を有するサーボ弾性アクチュエータシステムを備える、ワークピース加工装置の簡略図である。
【図18】本開示の一態様による、ワークピースホルダの上に弾性部材組合せ体を有する上方に向けられたサーボアクチュエータを有するサーボ弾性アクチュエータシステムを備える、ワークピース加工装置の簡略図である。
【図19】本開示の一態様による、サーボアクチュエータと工具装置との間に配置された弾性部材組合せ体を有するある角度方向のサーボ弾性アクチュエータシステムを備える、ワークピース加工装置の簡略図である。
【0029】
対応する参照番号は、図面のいくつかの図を通して対応する部分を示す。
【発明を実施するための形態】
【0030】
次に、諸実施形態の例が、添付の図面を参照してより詳細に説明される。
【0031】
本明細書で使用される用語は、特定の実施形態例のみを説明するためのものであり、限定することを意図されていない。本明細書で使用される場合、単数形「１つ（ａ）」、「１つ（ａｎ）」、および「その（ｔｈｅ）」は、文脈上、そうでないとする明確な指示がない限り、複数形も含むように意図され得る。「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、および「有する（ｈａｖｉｎｇ）」という用語は包括的であり、したがって、規定された特徴、整数、ステップ、動作、要素、および／または構成要素の存在を指定するが、１つまたは複数の他の特徴、整数、ステップ、動作、要素、構成要素、および／またはそれらの群の存在または追加を除外するものではない。本明細書に記載されている方法のステップ、プロセス、および動作は、それらの遂行の順序として具体的に区別されない限り、議論または図示された特定の順序でそれらの遂行を必ずしも必要とすると解釈されるべきではない。また、追加または代替のステップが使用され得ることも理解されたい。
【0032】
ある部材、構成要素、要素または層が、別の部材、構成要素、要素または層「上にある（ｏｎ）」、「に係合される（ｅｎｇａｇｅｄ ｔｏ）」、「に接続される（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｔｏ）」、または「に結合される（ｃｏｕｐｏｌｅｄ ｔｏ）」と称される場合、その部材、構成要素、要素または層は、他の部材、構成要素、要素または層の直上にあってもよく、または他の部材、構成要素、要素または層に係合、接続、または結合されてもよく、あるいは介在する構成要素、部材、要素または層が存在してもよい。対照的に、ある部材、構成要素、要素または層が、別の部材、構成要素、要素または層「の直上にある（ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｏｎ）」、「に直接係合される（ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｅｎｇａｇｅｄ ｔｏ）」、「に直接接続される（ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｔｏ）」、または「に直接結合される（ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｃｏｕｐｌｅｄ ｔｏ）」と称される場合、介在する部材、構成要素、要素または層が存在しなくてもよい。部材、構成要素、要素または層の間の関係を説明するために使用される他の単語も同様に解釈されるべきである（例えば、「～の間（ｂｅｔｗｅｅｎ）」対「直接～の間（ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｂｅｔｗｅｅｎ）」、「隣接する（ａｄｊａｃｅｎｔ）」対「直接隣接する（ｄｉｒｅｃｔｌｙ ａｄｊａｃｅｎｔ）」など）。
【0033】
「Ｗｏｒｋ Ｐｉｅｃｅ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｄｅｖｉｃｅ ｗｉｔｈ Ｓｅｒｖｏ－Ｅｌａｓｔｉｃ Ａｃｔｕａｔｏｒ Ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ Ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｆｏｒｃｅ ａｎｄ Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ」という名称の米国特許出願第１５／３４３，６１２号明細書（その開示全体が参照により本明細書に組み込まれる）は、工具装置またはワークピースホルダを工具装置およびワークピースホルダの他方に動かす、精密力および位置を同時に制御するサーボ弾性アクチュエータシステムを有するワークピース加工装置の様々な構成を開示している。サーボ弾性アクチュエータシステムは、ワークピースの加工中にワークピースに力を加える。サーボ弾性アクチュエータシステムは、力対位置感度比を調整するためにシステム内に追加のコンプライアンスをもたらすように、力の伝達経路内にサーボアクチュエータと共に機械的に配置された、ばねやエラストマーなどの弾性部材を含む。これにより、正確な位置制御を維持しながら、力がサーボアクチュエータで正確に制御されることが可能になる。力の伝達経路は、直線力経路または回転力伝達経路（すなわち、トルク伝達経路）とすることができることが理解されるべきである。
【0034】
サーボアクチュエータは、位置を所与の精度に制御する。線形ばね定数を使用する場合の弾性部材のばね定数は、次の式によって一定の力の精度を達成するように選択される、
Ｋ＝ΔＦ／Δｘ （１）
ただし、
Ｋ＝弾性部材のばね定数、
ΔＦ＝力の精度、
Δｘ＝サーボアクチュエータの位置の所与の精度。
Ｋ＝ΔＦ／Δｘ （１）
ただし、
Ｋ＝弾性部材のばね定数、
ΔＦ＝力の精度、
Δｘ＝サーボアクチュエータの位置の所与の精度。
【0035】
ねじりばね定数を使用する場合、ねじりばね定数は、次の式によって一定のトルク精度を達成するように選択される、
ＫΘ＝ΔＴ／ΔΘ （２）
ただし、
ＫΘ＝ばねまたはエラストマーのばね定数、
ΔＴ＝トルクの精度、
ΔΘ＝角度回転の精度。
ＫΘ＝ΔＴ／ΔΘ （２）
ただし、
ＫΘ＝ばねまたはエラストマーのばね定数、
ΔＴ＝トルクの精度、
ΔΘ＝角度回転の精度。
【0036】
一実施形態では、弾性部材は、図１Ａ、図１Ｂ～図３を参照して以下でより詳細に論じられるように、フレームに対してサーボアクチュエータと直列であるか、または図４を参照して以下でより詳細に論じられるように、フレーム自体上のサーボアクチュエータと並列である。いずれの場合にも、弾性部材は、力の伝達経路内でサーボアクチュエータと直列であり、総ばね定数は、サーボアクチュエータの力感度を高めるために押し付けられている表面に対して低減される。
【0037】
図１～図４は、サーボ弾性アクチュエータシステムを有する、このようなワークピース加工装置の様々な実施形態例を示す。ワークピース加工装置は、加工中にワークピースに力を加える任意の装置とすることができる。ワークピース加工装置は、例えば、溶接、かしめ、スエージング、切断など、ワークピースに力が加えられるプラスチックまたは金属の超音波加工、振動加工、レーザ加工、熱加工、スピン加工、または赤外線加工のための装置とすることができる。ワークピース加工システムは、ワークピースを加工中に適所に保持するために、力がワークピースに加えられる装置とすることもできる。
【0038】
図１Ａを参照すると、ワークピース加工装置１００は、サーボ弾性アクチュエータシステム１０２を含む。サーボ弾性アクチュエータシステム１０２は、サーボアクチュエータ１０４および弾性部材１０６を含む。サーボアクチュエータ１０４は、サーボモータ１０８とサーボモータ１０８に結合されたアクチュエータ部材１１０とを含み、アクチュエータ部材１１０はサーボモータ１０８によって（図面に示されているように）上下に動かされる。サーボモータ１０８は、サーボモータ１０８を制御するコントローラ１１２に結合される。サーボモータ１０８は、装置１００のフレーム１１４に取り付けられる。弾性部材１０６の一方の端部１０５はアクチュエータ部材１１０の端部１１６に取り付けられ、弾性部材１０６の反対側の端部１０７は工具装置１２０に取り付けられる。装置１００はワークピースホルダ１２２も含み、ワークピースホルダ１２２、例えば、超音波溶接機または超音波チューブシーラのアンビルとすることができる。ワークピースホルダ１２２は、装置１００のフレーム１１４に取り付けられる。ワークピース１２４は、相対的に柔軟性の無い、または硬い表面１２６を有しており、ワークピースホルダ１２２上に位置を定められる。ワークピース１２４は、装置１００によって加工されるべきワークピースである。ワークピース１２４は、例えば、装置１００が超音波溶接機である場合には、超音波で一体に溶接されるべき２つのプラスチック片または金属片とすることができる。ワークピース１２４は、例えば、装置１００が超音波チューブシーラである場合には、端部を超音波でシールされるべき管とすることができる。工具装置１２０は、ワークピース１２４を加工するためにサーボアクチュエータ１０４の動きによってワークピース１２４に押し付けられるワークピース加工装置のその部分である。工具装置１２０は、例えば、超音波溶接機または超音波シーラの超音波スタックであってもよく、超音波スタックの超音波ホーンの先端は、ワークピース１２４と物理的に接触するものである。そのような場合、工具装置１２０は、該当する場合、そのように超音波溶接または超音波シーリングにより、ワークピース１２４に作用してワークピース１２４を加工するために超音波で付勢される。
【0039】
図１Ｂでは、ワークピース加工装置１００’は、アクチュエータ部材１１０とサーボモータ１０８との間に配置された弾性部材１０６を有する。他の点では、ワークピース加工装置１００’は、図１Ａの装置１００と同じである。
【0040】
図２では、ワークピース加工装置２００は、サーボアクチュエータ１０４のサーボモータ１０８とフレーム１１４との間に配置された弾性部材１０６を有し、工具装置１２０は、アクチュエータ部材１１０の端部１１６に取り付けられる。他の点では、ワークピース加工装置２００は、ワークピース加工装置１００と同じである。
【0041】
図３では、ワークピース加工装置３００は、ワークピースホルダ１２２とワークピース加工装置３００のフレーム１１４との間に配置された弾性部材１０６を有する。他の点では、ワークピース加工装置３００は、ワークピース加工装置１００と同じである。
【0042】
図４では、ワークピース加工装置４００は、上側フレーム部分４０４（図４に方向付けられている）および下側フレーム部分４０６と、上側フレーム部分４０４と下側フレーム部分４０６との間に配置された弾性部材１０６と、を有するフレーム４０２を備える。ワークピースホルダ１２２は、下側フレーム部分４０６に取り付けられる。サーボモータ１０８のサーボモータ１０８は、上側フレーム部分４０４に取り付けられる。他の点では、ワークピース加工装置４００は、ワークピース加工装置１００と同じである。
【0043】
動作中、サーボアクチュエータ１０４は、工具装置１２０を駆動してワークピース１２４と接触した状態にし、それによって、サーボアクチュエータ１０４は、ワークピース１２４の相対的に柔軟性の無い表面を押圧している。相対的に柔軟性の無い表面を押圧しているとき、サーボアクチュエータの力対位置感度の比は、押圧されている材料のばね定数によって決定される。工具装置１２０がワークピース１２４と接触した状態にされるときに、力がワークピース１２４に対して加えられる力の伝達経路内に、サーボアクチュエータ１０４と直列に弾性部材１０６を有することは、システムにさらなるコンプライアンスを付加し、それにより総ばね定数を減少させる。このことは、サーボアクチュエータ１０４の位置に対するサーボアクチュエータ１０４の力の感度を高める。このことは、正確な位置制御を維持しながら、力がサーボアクチュエータ１０４で正確に制御されることを可能にする。弾性部材１０６のばね定数は、所望の力対位置の忠実度を与えるように選択される。
【0044】
サーボ弾性アクチュエータシステム１０２では、ワークピース１２４が超音波溶接や超音波シーリングなどの場合の動作中に融解されるとき、サーボアクチュエータ１０４が工具装置１２０の動作を停止させた後で弾性部材１０６が展張し、したがって、工具装置１２０の動きが停止した後で弾性部材１０６の位置を変化させる。すなわち、サーボの動きは停止しているが、工具装置１２０は、弾性部材１０６の圧縮のために動き続ける。２つの部品が溶接されて融解するなど、ワークピース１２４が融解するとき、その融解物自体は凝固するまで圧縮または保持される。以下でより詳細に論じられる反応性制御は、弾性部材１０６のこの動きに逆らうことにより、これを補償するために使用される。この補償を用いて、位置の精度が高められる。
【0045】
実施形態では、工具装置１２０がサーボアクチュエータ１０４によってワークピース１２２と接触した状態にされるときにワークピース１２２に加えられる力を計算するために、弾性部材１０６のばね定数およびばね撓みを使用する簡単なアルゴリズムが使用される。ばね撓みは、弾性部材１０６が偏向される距離の量である。弾性部材１０６の、この計算された力の閉ループが、サーボアクチュエータ１０４の位置を制御する。こうした手段により、ワークピース１２４に加えられている力の精密制御が、工具装置１２０の位置を同時に精密に監視しながら実現されることができる。
【0046】
ばねおよびエラストマーが、弾性部材１０６の例として上記で論じられたが、弾性部材は、必須のばね定数（該当する場合は線形またはねじれ）を有する任意のタイプの部材とすることができ、ワークピース加工装置内の異なる位置に配置される複数の弾性部材１０６などの要素を組み合わせたものを含むことができることが理解されるべきである。図９は、ワークピース加工装置９００内の異なる位置に配置された複数の弾性部材１０６を有するワークピース加工装置９００の一例を示す。この例では、異なる位置は、図１Ａ、図１Ｂ～図４を参照して上述された位置である。複数の弾性部材は、これらすべての位置以外の位置に配置され得ることが理解されるべきである。例えば、複数の弾性部材は、これらの位置の内のいくつかに配置されるが、すべての位置に配置されることはできない。
【0047】
ワークピース加工装置は、ワークピースホルダがサーボアクチュエータ１０４によって工具装置１２０に抗して駆動されるように構成され得ることが理解されるべきである。
【0048】
図５は、サーボ弾性アクチュエータシステム１０２のサーボモータ１０８を制御するための例示的な制御論理５００の制御図を示す。制御論理５００は、例示的にはコントローラ１１２に実装される。制御論理５００は、弾性部材１０６のばね撓みを決定するために、２つの位置センサ５０２、５０４（例えば位置エンコーダ）を使用する。位置センサ５０２、５０４は、位置センサ５０２、５０４が弾性部材１０６の両側にあるように、ワークピース加工装置内に配置される。例示であって限定するものではないが、図１に示される装置１００を参照すると、位置センサ５０２は弾性部材１０６の端部１０５の位置を感知し、位置センサ５０４は、サーボアクチュエータ１０４が工具装置１２０を動かしてワークピース１２４と接触した状態にすると、弾性部材１０６の端部１０７の位置を感知する。位置センサ５０２、５０４によって感知された位置の差は、位置センサ５０２によって感知された位置から位置センサ５０４によって感知された位置を減算する加算器５０６によって決定され、この差は、弾性部材１０６のばね撓みである。ワークピース１２４に加えられている力は、５０８で上記の式１を使用して計算され、５０８で計算された力はＰＩＤ（比例積分微分）コントローラ５１０に入力される。あるいは、ＰＩ（比例積分）、Ｐ（比例）またはＩ（積分）コントローラが使用され得ることが理解されるべきである。力設定値５１２もまたＰＩＤコントローラ５１０に入力される。ＰＩＤコントローラ５１０はサーボモータ１０８を制御し、したがって、弾性部材１０６の計算された力（５０８で計算済み）に基づいてサーボアクチュエータ１０４の位置を制御する。あるいは、計算または測定された力を使用する任意の適切な閉ループ制御方法が使用され得ることも理解されるべきである。
【0049】
位置センサ５０４によって感知された位置は、サーボアクチュエータ１０４の最大移動量を制限するためにも使用される。位置設定値５１４は、オーバーシュート距離補償５１８および位置センサ５０４によって感知された位置と同様に、加算器５１６に入力される。加算器５１６は、位置設定値５１４からオーバーシュート距離補償５１８と位置センサ５０４によって感知された位置との和を減算し、位置センサ５０４によって感知された位置とオーバーシュート距離補償５１８との和が位置設定値５１４を上回ると、サーボモータ１０８を停止させる。サーボモータ１０８をいつ停止させるべきかを決定することに加えて、この決定は、加工を開始または終了する、目標の力または強度を変更する、サーボアクチュエータ１０４の後退を開始する、などのためにも使用され得ることが理解されるべきである。これらの決定は、計算された力（５０８で計算済み）に基づいてなされ得ることも理解されるべきである。一態様では、オーバーシュート距離補償５１８は、図９を参照して以下でより詳細に論じられる、オーバーシュート距離補償として使用するオーバーシュート距離を測定するために試験サンプルを使用して決定されるか、またはオーバーシュート距離補償を推定するために過去のサンプルの反復法を使用して決定される。
【0050】
図６は、制御論理５００の一変形形態である、サーボ弾性アクチュエータシステム１０２のサーボモータ１０８を制御するための制御論理６００の制御図を示しており、相違点のみが論じられる。弾性部材１０６の端部１０５、１０７（図２）の間など、弾性部材１０６の両端間に配置された位置センサ６０２が、弾性部材１０６のばね撓みを感知し、位置センサ５０２、５０４の代わりに弾性部材１０６のばね撓みを得るために使用される。位置センサ５０４は、サーボアクチュエータ１０４の最大移動量を制限する制御において依然として使用される。
【0051】
図７は、制御論理５００の変形形態である、サーボ弾性アクチュエータシステム１０２のサーボモータ１０８を制御するための制御論理７００の制御図を示しており、相違点のみが論じられる。制御論理７００は、ワークピース１２４に加えられている力を得るために、この力を弾性部材１０６のばね定数および弾性部材１０６のばね撓みに基づいて計算する力の代わりに、力センサ７０２を使用する。力センサ７０２によって感知された力は、この力が制御論理５００および制御論理７００において５０８で計算される代わりに、ＰＩＤコントローラ５１０に入力され、したがって位置センサ５０２も使用しない。位置センサ５０４は、サーボアクチュエータ１０４の最大移動量を制限する制御において依然として使用される。力センサ７０２は、例示的にはサーボモータ１０８とアクチュエータ部材１１０との間に加えられたトルクを感知するトルクセンサである。
【0052】
図８は、オーバーシュート距離補償５１８として使用するオーバーシュート距離を測定するために、試験サンプルを使用することによりオーバーシュート距離補償５１８を決定するための制御論理８００の流れ図を示す。以下の記述は、超音波溶接機などの溶接機であるワークピース加工装置の文脈にあるものであるが、以下の記述は他のタイプのワークピース加工装置に適用できることが理解されるべきである。制御論理８００は８０２で開始する。８０４で、制御論理８００は、ワークピース加工装置が、サンプル溶接を使用するオーバーシュート距離の測定に使用されているのか、それとも通常溶接に使用されているのかを決定する。この文脈では、通常溶接とは、ワークピースの所期の用途にワークピースを一体に溶接することである。通常溶接の場合、制御論理８００は８０６に分岐し、８０６で、ワークピース加工装置は通常溶接に使用され、そこでワークピース加工装置はオーバーシュート距離補償５１８（上述）で溶接を実行し、次いで８０８に分岐し、８０８で、制御論理８００は、ワークピース加工装置が別の溶接を実行するために使用されることになるかどうかを決定する。そうである場合、制御論理８００は分岐して８０４に戻る。そうでない場合、制御論理は８１０に分岐し、８１０で、制御論理はワークピース加工装置を「停止させる」、例えば、ワークピース加工装置が再び使用されるまでワークピース加工装置をアイドル状態にする。８０４で、制御論理は、オーバーシュート距離補償として使用するオーバーシュート距離がサンプル溶接を使用して測定されると決定した場合、８１２に分岐し、８１２で、制御論理は、オーバーシュート距離５１８補償がゼロに設定されてサンプル溶接を実行する。８１４で、サンプル溶接の圧潰後にオーバーシュート距離が測定され、オーバーシュート距離補償５１８として設定される。次に、制御論理８００は８１６に分岐し、８１６で、全圧潰は、全圧潰が許容範囲内にあるかどうかを確認するために、所望の圧潰と比較される。そうでない場合、制御論理８００は８１８に分岐し、８１８で、制御論理８００は、オーバーシュート距離補償５１８を使用してサンプル溶接を実行する。８１８からは、制御論理は８１４に続き、次いで８１６に続く。全圧潰が８１６で所望の圧潰の許容範囲内にある場合、制御論理８００は８０４に分岐する。このようにして、制御論理８００は、サンプル溶接の逐次反復により所望のオーバーシュート距離５１８にホーニングする。
【0053】
コントローラ１１２は、上述の論理を実装するソフトウェアでプログラムされる、デジタルプロセッサ（ＤＳＰ）、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、または他のプログラマブルデバイスのいずれかとすることができるかまたはこれを含む。あるいは、コントローラ１１２は、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）、複合プログラマブルロジックデバイス（ＣＰＬＤ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）などの他の論理装置とすることができるかまたはその論理装置を含むことが理解されるべきである。コントローラ１１２が機能を実行するか、または機能を実行するように構成されることが規定された場合、コントローラ１１２は、適切な論理で（ソフトウェア、論理装置、またはこれらを組み合わせたものなどで）、例えば、制御論理５００、６００または７００、さらに該当する場合は制御論理８００などでそうするように構成されることが理解されるべきである。コントローラ１１２が機能のための論理を有することが規定された場合、この種の論理は、ハードウェア、ソフトウェア、またはこれらを組み合わせたものを含むことができることが理解されるべきである。
【0054】
上述の弾性部材１０６（以下、コンプライアンス弾性部材と称される）は、引張から圧縮までの範囲内で作動するように取り付けられることができる。コンプライアンス弾性部材がこのようにして取り付けられた場合、システムは、工具（図１～図４および図９の工具装置１２０など）と関連キャリッジ構成要素との重量に起因する、工具およびキャリッジの負荷を反映することができ、関連キャリッジ構成要素には、工具が取り付けられており、関連キャリッジ構成要素は、工具がワークピースへ行き来して動かされるときにツーリングを支持する。例えば、図１の実施形態に示されるように、工具装置１２０は、コンプライアンス弾性部材１０６の端部１０７に取り付けられる。工具装置１２０の重量は、コンプライアンス弾性部材１０６に下向きの力を及ぼし、図１では、工具装置１２０は支持された構成要素である。
【0055】
上述のサーボ弾性アクチュエータシステム１０２に関する問題は、引張と圧縮の両方のために取り付けられたコンプライアンス弾性部材１０６を有することが、しばしば実用的でないことである。コンプライアンス弾性部材１０６が、図１０のように単に圧縮状態にあるか、または図１１のように単に引張状態にある場合、サーボ弾性アクチュエータシステム１０２は、工具装置１２４の重量およびキャリッジの負荷を反映することができない。したがって、サーボ弾性アクチュエータシステム１０２によって及ぼされ得る最小の力は、単に圧縮構成または引張構成のコンプライアンス弾性部材１０６だけを使用する工具装置１２４およびキャリッジ負荷の重量に等しい。
【0056】
上述のサーボアクチュエータシステム１０２の諸実施形態では、２つの位置センサの組合せ、または位置エンコーダがコンプライアンス弾性部材１０６の圧縮または引張（ばね撓み）を決定する。圧縮または引張はコンプライアンス弾性部材のばね定数と共に、サーボアクチュエータ１０４によってワークピース１２４に及ぼされる力を決定する。コンプライアンス弾性部材１０６が圧縮のみの状態にあり得るときに、工具装置１２４およびキャリッジの重量は底に達し、したがって、サーボアクチュエータシステム１０２は、工具装置１２４およびキャリッジの重量負荷未満の力でワークピース１２４に及ぼされる力を区別することができない。この状況は図１０および図１１に示されている。
【0057】
上記に対処するために、本開示の一態様によるサーボ弾性アクチュエータシステム１０２’は、図１２に示されるように、負荷の重量を補償するためにサーボと負荷との間に重量補償弾性部材１２００を有する。このようにして、サーボ弾性アクチュエータシステム１０２’は、力をゼロに至るまで精密に制御することができ、同時に位置を精密に制御することができる。また、一態様では、コンプライアンス弾性部材１０６の一端または両端が、力の連続的な伝達経路においてサーボ弾性アクチュエータシステム１０２’の隣接する構成要素に取り付けられるのではなく、隣接する１つまたは複数の構成要素に単に当接するだけである。例えば、図１２に示される実施形態では、コンプライアンス弾性部材１０６の端部１０５は、アクチュエータ１０に取り付けられている取付部材１２０２に当接するが取り付けられておらず、コンプライアンス部材１０６の端部１０７は、取付部材１２０４に当接するが取り付けられてはいない、あるいはその両方である。サーボ弾性アクチュエータシステム１０２’は、他の点ではサーボアクチュエータシステム１０２と同じである（上述のサーボアクチュエータシステム１０２の変形形態のいずれかを含む）ことが理解されるべきであり、したがって以下の記述では相違点に焦点を当てる。また、これらの相違点により、サーボアクチュエータシステム１０２’は、他の点では上述のサーボアクチュエータシステム１０２の変形形態のいずれかとすることができることも理解されるべきである。
【0058】
重量補償弾性部材１２００は、サーボアクチュエータシステム１０４’内に配置され、それによって、図１２～図１６に示されるように、コンプライアンス弾性部材１０６および重量補償弾性部材１２００によって及ぼされるばね力が互いに対向する。これに関して、重量補償弾性部材は、この部材のばね力が工具およびキャリッジの負荷に上向きの力を及ぼすように配置される。
【0059】
工具およびキャリッジ負荷の重量を補償するために、重量補償弾性部材１２００がコンプライアンス弾性部材１０６に向かい合わされることを追加することで、力対位置感度比は、コンプライアンス弾性部材１０６と重量補償弾性部材１２００の組合せに等しい、
【0060】
【数1】
【数2】
重量補償弾性部材１２００の全移動量は、工具およびキャリッジの全重量（工具および関連するキャリッジ構成要素の全重量）を反映しなければならず、コンプライアンス弾性部材１０６の全移動量は、サーボアクチュエータ１０４によって及ぼされる全力を反映しなければならない。すなわち、完全圧縮（または該当する場合は伸長）での重量補償弾性部材１２００は、工具およびキャリッジの全有効重量を反映しなければならず、完全圧縮（または該当する場合は伸長）でのコンプライアンス弾性部材１０６は、サーボアクチュエータ１０４によって及ぼされる全ての力を反映しなければならない。完全圧縮（または該当する場合は伸張）下でコンプライアンス弾性部材１０６および重量補償弾性部材１２００のそれぞれによって移動させられる距離は同じ（全移動距離）であるので、
【0061】
【数3】
【数4】
【数5】
【0062】
この重量補償弾性部材１２００とコンプライアンス弾性部材１０６の組合せにより、サーボ弾性アクチュエータシステム１０２’は、コンプライアンス弾性部材１０６が圧縮または引張のみの状態にあるときに、力がゼロに至るまでの値に決定されることを可能にしながら、力および位置を精密に同時に制御することができる。一態様では、サーボ弾性アクチュエータシステム１０２’は、図５～図８を参照して上述された制御論理のいずれかで制御され、図５および図６を参照して記述された制御論理の場合は、ばね定数としてコンプライアンス弾性部材１０６と重量補償弾性部材１２００の組合せのばね定数を利用するように修正されることが理解されるべきである。
【0063】
重量補償弾性部材１２００およびコンプライアンス弾性部材１０６は、コイルばね、板ばね、円錐ばね、空気ばね、エラストマーなど、ばね力を有する任意のタイプの装置とすることができることが理解されるべきである。重量補償弾性部材１２００は、圧縮構成または引張構成であり得ることも理解されるべきである。
【0064】
一態様では、コンプライアンス弾性部材１０６と重量補償弾性部材１２００の４つの異なる組合せがある。図１２に示されるように、コンプライアンス弾性部材１０６は圧縮のみの状態にあり、重量補償弾性部材１２００もまた圧縮のみの状態にあり、これは好ましい一実施形態である。図１３に示されるように、コンプライアンス弾性部材１０６は圧縮のみの状態にあり、重量補償弾性部材１２００は引張のみの状態にある。図１４に示されるように、コンプライアンス弾性部材１０６は引張のみの状態にあり、重量補償弾性部材も引張のみの状態にある。図１５に示されるように、コンプライアンス弾性部材１０６は引張のみの状態にあり、重量補償弾性部材は圧縮のみの状態にある。
【0065】
例示的には、コンプライアンス弾性部材１０６および重量補償弾性部材１２００は、組み合わせて一体に構成され、本明細書では弾性部材組合せ体１６００（図１６）と称される。弾性部材組合せ体１６００は、サーボ弾性アクチュエータシステム１０２’内の異なる場所に配置されることができる。弾性部材組合せ体１６００は、図１６に示されるように、サーボアクチュエータ１０４と工具装置１２０との間に配置されることができ、その場合、重量補償弾性部材は、工具装置１２０および関連するキャリッジ構成要素（図示せず）の重量を補償し、これは上述のように好ましい一実施形態である。弾性部材組合せ体１６００は、図１７に示されるように、サーボアクチュエータ１０４とフレーム１１４との間に配置されることができ、その場合、重量補償弾性部材１２００は、サーボアクチュエータ１０４、工具装置１２０および関連するキャリッジ構成要素の重量を補償する。
【0066】
逆にされた状況では、サーボアクチュエータ１０４は上方に向けられ、コンプライアンス弾性部材は、図１８に示されるようにワークピースホルダ１２２の上に配置され、例示的にはワークピースホルダ１２２とフレーム１４との間に配置される。この変形形態では、重量補償弾性部材１２００は、ワークピースホルダ１２２の重量を補償する。
【0067】
サーボ弾性アクチュエータシステム１０２’は、正確な力と位置制御の両方が望ましい相対的に非柔軟性の表面をサーボアクチュエータが押す場合に有用であることが理解されるべきである。例示であって限定するものではないが、サーボ弾性アクチュエータシステム１０２’は、溶接、切断、かしめ、スエージングなどの任意の超音波プロセスに対応するために使用されることができる。サーボ弾性アクチュエータシステム１０２’は、レーザ溶接、レーザ印刷、レーザ切断、レーザかしめ、またはレーザスエージングにも使用されることができ、レーザ加工される１つまたは複数のワークピースは、サーボアクチュエータ１０４によってクランプ締めされる。サーボ弾性アクチュエータシステム１０２’は、スピン溶接、振動溶接、およびホットプレート溶接にも使用されることができる。
【0068】
コンプライアンス弾性部材を有するサーボ弾性アクチュエータシステムに重量補償弾性部材を追加することの一つの利点は、力が支持された構成要素の重量未満のレベルに精密に制御されることができ、同時に位置を精密に制御することができることである。
【0069】
図１２～図１８に示されるサーボ弾性アクチュエータシステム１０２’の前述の実施形態例は、アクチュエータ部材１１０が垂直方向上下に移動するように垂直に向けられたサーボアクチュエータ１０４を有する垂直に向けられたサーボ弾性アクチュエータシステムとして示されているが、サーボアクチュエータシステム１０２’は、垂直に向けられる以外のものであり得ることが理解されるべきである。サーボ弾性アクチュエータシステム１０２’が垂直方向に向けられる以外のものである場合、サーボ弾性アクチュエータシステム１０２’は、任意の重力ベクトルの非軸線方向成分を打ち消すためにリニアガイドを例示として含むことになる。すなわち、サーボアクチュエータ１０４のアクチュエータ部材１１０に関して軸線方向ではない、重力ベクトルの任意の成分である。垂直方向に向けられたサーボ弾性アクチュエータシステム１０２’は、リニアガイドも含み得ることが理解されるべきである。
【0070】
図１９は、垂直と水平との間の角度で向けられているサーボ弾性アクチュエータシステム１０２”の例示的な例である。サーボ弾性アクチュエータシステム１０２”は、以下の相違点があるが、図１６に示されるサーボ弾性アクチュエータシステム１０２’と同じであり、以下の記述ではその相違点に焦点を当てる。サーボ弾性アクチュエータシステム１０２”は、アクチュエータ部材１１０および工具装置１２０を含むサーボアクチュエータ１０４が、垂直に対して非ゼロの角度Φで軸線方向に位置合わせされ、水平に対しても非ゼロの角度で位置合わせされるという点で、角度方向を有する。サーボ弾性アクチュエータシステム１０２”は、工具装置１２０が受容されるリニアガイド１２６を含み、リニアガイド１２６は、工具装置１２０を支持して重力ベクトルの非軸線方向成分を打ち消す。
【0071】
実施形態の前述の説明は、例示および説明の目的で提供されてきた。前述の説明は、網羅的であること、または開示を制限することを意図されていない。特定の実施形態の個々の要素または特徴は、一般に、その特定の実施形態に限定されるものではなく、該当する場合は交換可能であり、具体的に図示または記述されていなくても、選択された実施形態で使用されることができる。同じことが多くの方法で変更されることもある。そのような変更は、本開示からの逸脱と見なされるべきではなく、そのようなすべての修正は、本開示の範囲内に含まれることが意図されている。
【図1A】
【図1B】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】