JP2015210180A - Pin type load cell and work machine including the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、構成部材を連結するピンに作用する荷重を検出するピン型ロードセルと、そのピン型ロードセルを備える作業機械とに関する。 The present invention relates to a pin type load cell that detects a load acting on a pin that connects constituent members, and a work machine including the pin type load cell.
機械を構成する各機械部品が受ける荷重を検出することは、機械の状態把握及び機械の駆動制御を行う上で重要である。従来、リンク状に組み合わされた機構部材の連結ピンに作用する荷重を検出する荷重検出装置として、機構部材の連結ピン自体に荷重検出機能を備えたピン型ロードセルを用いるものが知られている。ピン型ロードセルは、機構部材の連結部に挿入され、当該連結部に作用する荷重を検出する。 It is important to detect the load received by each machine component constituting the machine for grasping the state of the machine and controlling the drive of the machine. 2. Description of the Related Art Conventionally, as a load detection device that detects a load acting on a connection pin of a mechanism member combined in a link shape, a device using a pin type load cell having a load detection function on the connection pin of the mechanism member is known. The pin type load cell is inserted into the connecting portion of the mechanism member and detects a load acting on the connecting portion.
油圧ショベル等の作業機械においては、作業量の把握や安定性確保のため、アタッチメント部に作用する負荷を計測することが不可欠であり、特許文献１には、アームとアタッチメントとの連結部にピン型ロードセルを設け、連結ピンに加わる荷重を検出することによってアタッチメント部に作用する負荷を検出する方法が示されている。 In a working machine such as a hydraulic excavator, it is indispensable to measure the load acting on the attachment part in order to grasp the work amount and ensure stability. In Patent Document 1, a pin is connected to the connecting part between the arm and the attachment. A method of detecting a load acting on an attachment part by providing a mold load cell and detecting a load applied to a connecting pin is shown.
また、特許文献２には、作業機械に好適なピン型ロードセルとして、ピンの軸方向に設けられたピン穴と、このピン穴の壁面又はピンの外周における同一周上に位置し、かつ互いに直交する２面にそれぞれ１つずつ取り付けられた２つのひずみセンサを備え、（ピン穴の径）÷（ピンの外径）の値を０．２以下としたものが提案されている。特許文献２に記載のピン型ロードセルは、ピン穴の径を規制することによって、荷重によるピンの断面形状の変形が防止されるので、荷重の作用方向が変化しても、ピンに作用する荷重の測定を高精度に行うことができる。 Further, in Patent Document 2, as a pin type load cell suitable for a work machine, a pin hole provided in the axial direction of the pin and the wall surface of the pin hole or the outer periphery of the pin are located on the same circumference and orthogonal to each other. It has been proposed to have two strain sensors attached to each of the two surfaces, each having a value of (pin hole diameter) ÷ (pin outer diameter) of 0.2 or less. The pin-type load cell described in Patent Document 2 prevents the deformation of the cross-sectional shape of the pin due to the load by restricting the diameter of the pin hole, so that the load acting on the pin even if the direction of the load changes Can be measured with high accuracy.
特許文献１に示される例においては、ピン型ロードセルに作用する荷重の方向が作業機械（アタッチメント）の姿勢や作業内容に伴って変化するため、ピンに作用する荷重を互いに直交する２つの軸方向の荷重として検出する必要がある。このように荷重の作用する方向が変化する場合において、荷重の大きさ及び方向を検出するには、歪センサをピンに設けられたピン穴壁面の同一円周上に、互いに直交するように配置するのが一般的である。しかしながら、上記のように歪センサを配置した場合にも、荷重を受けたときにピンの断面形状が変形すると、荷重の作用方向の変化に伴う荷重検出誤差が発生する。特許文献２には、歪センサを取り付けるためのピン穴の径をピンの外径の０．２以下とすることによってピンの断面形状の変形を抑制し、これをもって上記の問題を解消することが示されている。しかし、ピンの外径が小さい場合には、ピン穴径を上記の要件を満たすように設計すると、歪センサの接着面を十分に確保することが困難になるので、計測精度はピンの寸法による制約を受ける。 In the example shown in Patent Document 1, since the direction of the load acting on the pin type load cell changes according to the posture of the work machine (attachment) and the work content, the two axial directions in which the loads acting on the pins are orthogonal to each other It is necessary to detect it as a load. When the direction in which the load acts changes in this way, in order to detect the magnitude and direction of the load, the strain sensors are arranged so as to be orthogonal to each other on the same circumference of the pin hole wall surface provided in the pin. It is common to do. However, even when the strain sensor is arranged as described above, if the cross-sectional shape of the pin is deformed when a load is received, a load detection error is generated due to a change in the direction of action of the load. In Patent Document 2, it is possible to suppress the deformation of the cross-sectional shape of the pin by setting the diameter of the pin hole for attaching the strain sensor to 0.2 or less of the outer diameter of the pin, thereby eliminating the above problem. It is shown. However, if the pin outer diameter is small, designing the pin hole diameter to satisfy the above requirements makes it difficult to ensure a sufficient adhesion surface for the strain sensor, so the measurement accuracy depends on the pin dimensions. Limited.
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、ピンの寸法によらず作用方向が変化する荷重の大きさ及び方向を高精度に検出可能なピン型ロードセルと、このピン型ロードセルを備え、作業を安定かつ高能率に行うことが可能な作業機械を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problem, and a pin type load cell capable of detecting with high accuracy the magnitude and direction of a load whose direction of action changes regardless of the pin size, and the pin type An object of the present invention is to provide a work machine that includes a load cell and can perform work stably and efficiently.
本発明は、上記課題を解決するため、ピン型ロードセルに関して、ピン本体と、前記ピン本体に設置した歪検出部材と、前記歪検出部材の検出信号から前記ピン本体に作用する荷重の大きさと作用方向を算出する荷重算出部を備え、前記歪検出部材は、歪検出方向が異なる２個以上の歪センサの組をもって構成し、前記ピン本体の周方向に２組以上設置することを特徴とする。 In order to solve the above problems, the present invention relates to a pin type load cell, a pin body, a strain detection member installed on the pin body, and the magnitude and action of a load acting on the pin body from a detection signal of the strain detection member. A load calculation unit for calculating a direction is provided, and the strain detection member is composed of a set of two or more strain sensors having different strain detection directions, and two or more sets are installed in the circumferential direction of the pin body. .
歪センサの設置箇所に歪検出方向が異なる２個以上の歪センサの組を設置すると、歪検出方向が異なるそれぞれの歪センサの検出値より、歪検出方向に応じた複数の荷重算出値を求めることができる。各荷重算出値には、荷重を受けることにより生じるピン本体の断面形状変化に起因する荷重計測誤差が含まれるが、複数の荷重算出値を用いて荷重を算出することになり、荷重計測誤差を低減することができる。一方、この歪検出部材をピン本体の周方向に２組以上設置すると、ピン本体の２軸方向の荷重算出値を得ることができるので、これら２軸方向の荷重算出値から、ピン本体に対する荷重の大きさと作用方向を算出できる。よって、ピン本体の寸法による制約を受けることなく、高い精度でピン本体に作用する荷重の大きさと作用方向を算出できる。 When a set of two or more strain sensors with different strain detection directions is installed at the strain sensor installation location, a plurality of load calculation values corresponding to the strain detection directions are obtained from the detection values of the respective strain sensors with different strain detection directions. be able to. Each load calculation value includes a load measurement error caused by a change in the cross-sectional shape of the pin body caused by receiving the load, but the load is calculated using a plurality of load calculation values. Can be reduced. On the other hand, if two or more sets of strain detection members are installed in the circumferential direction of the pin body, a load calculation value in the biaxial direction of the pin body can be obtained. The size and direction of action can be calculated. Therefore, the magnitude and direction of the load acting on the pin body can be calculated with high accuracy without being restricted by the dimensions of the pin body.
また本発明は、前記構成のピン型ロードセルにおいて、前記荷重算出部は、前記歪センサの検出値から各歪検出方向の荷重算出値を算出すると共に、算出された各歪検出方向の荷重算出値と、荷重算出値間の相関情報を用いて、前記算出された各歪検出方向の荷重算出値に含まれる計測誤差を除去した荷重値を算出することを特徴とする。 In the pin type load cell having the above-described configuration, the load calculation unit calculates a load calculation value in each strain detection direction from the detection value of the strain sensor, and calculates the calculated load calculation value in each strain detection direction. Then, using the correlation information between the load calculation values, a load value obtained by removing a measurement error included in the calculated load calculation value in each strain detection direction is calculated.
荷重を受けてピン本体の断面形状が変形すると、ピン本体に設置した各歪センサは、荷重に応じたせん断歪のみならず、ピン本体の断面形状の変形に起因する歪も検出するので、歪センサの検出値から算出される各歪検出方向の荷重算出値には、断面形状の変形に起因する荷重計測誤差が含まれる。この荷重計測誤差は、ピン本体に対する荷重作用方向によって変化し、また、いずれの歪検出方向の荷重算出値においても同様の傾向となる特性がある。したがって、各歪検出方向の荷重算出誤差の間には相関関係が成立し、その相関情報は、ピン型ロードセルの校正試験を行うことで導出できる。よって、複数の荷重算出値と校正試験により導出された複数の荷重算出値間の相関情報を用いて荷重を算出することにより、各歪検出方向の荷重算出値に含まれる計測誤差を除去した荷重値を算出できる。 When the cross-sectional shape of the pin body is deformed under a load, each strain sensor installed on the pin body detects not only the shear strain according to the load but also the strain caused by the deformation of the cross-sectional shape of the pin body. The load calculation value in each strain detection direction calculated from the detection value of the sensor includes a load measurement error due to the deformation of the cross-sectional shape. This load measurement error changes depending on the load acting direction with respect to the pin body, and has the same tendency in any load calculation value in any strain detection direction. Therefore, a correlation is established between the load calculation errors in each strain detection direction, and the correlation information can be derived by performing a calibration test of the pin type load cell. Therefore, by calculating the load using the correlation information between the plurality of load calculation values and the plurality of load calculation values derived by the calibration test, the load from which the measurement error included in the load calculation value in each strain detection direction is removed. The value can be calculated.
また本発明は、前記構成のピン型ロードセルにおいて、前記歪検出部材は、前記ピン本体の外周、又は、前記ピン本体の軸方向に設けられたピン穴の壁面、若しくは、前記ピン穴内に挿入する歪検出棒のいずれかに設置することを特徴とする。 In the pin type load cell having the above-described configuration, the strain detection member is inserted into the outer periphery of the pin main body, the wall surface of the pin hole provided in the axial direction of the pin main body, or the pin hole. It is characterized by being installed on one of the strain detection bars.
歪検出部材をピン本体の外周に設置する構成にすると、ピン本体に対する歪検出部材の設置を容易化できる。歪検出部材をピン本体の軸方向に設けられたピン穴の壁面に設置する構成にすると、歪検出部材の損傷が防止され、ピン型ロードセルの長寿命化が図れる。歪検出部材をピン穴内に挿入する歪検出棒に設置する構成によると、歪検出部材の設置の容易化と、ピン型ロードセルの長寿命化が図れる。 If the strain detection member is installed on the outer periphery of the pin body, the strain detection member can be easily installed on the pin body. When the strain detecting member is installed on the wall surface of the pin hole provided in the axial direction of the pin body, the strain detecting member is prevented from being damaged and the life of the pin type load cell can be extended. According to the configuration in which the strain detection member is installed on the strain detection rod that is inserted into the pin hole, the strain detection member can be easily installed and the life of the pin type load cell can be extended.
また本発明は、前記構成のピン型ロードセルにおいて、前記歪検出部材は、前記歪センサの設置箇所におけるせん断方向の歪を検出する歪センサと前記ピン本体の軸方向の歪を検出する歪センサの組、又は、前記歪センサの設置箇所におけるせん断方向の歪を検出する歪センサと前記ピン本体の周方向の歪を検出する歪センサの組、若しくは、前記歪センサの設置箇所におけるせん断方向の歪を検出する歪センサと前記ピン本体の軸方向の歪を検出する歪センサと前記ピン本体の周方向の歪を検出する歪センサの組のいずれかを備えることを特徴とする。 According to the present invention, in the pin type load cell having the above-described configuration, the strain detection member includes a strain sensor that detects a strain in a shear direction at an installation location of the strain sensor and a strain sensor that detects a strain in the axial direction of the pin body. A set of strain sensors that detect strain in the shear direction at the location where the strain sensor is installed and a strain sensor that detects strain in the circumferential direction of the pin body, or strain in the direction of shear at the location where the strain sensor is installed One of a set of a strain sensor that detects a strain, a strain sensor that detects a strain in the axial direction of the pin body, and a strain sensor that detects a strain in the circumferential direction of the pin body is provided.
ピン本体の断面形状変化の影響を除いた荷重算出値の算出は、少なくともピン本体のせん断方向の歪を検出する歪センサと、これとは歪検出方向が異なる歪センサを歪検出部材に備えれば足りる。そして、歪検出部材として、歪センサの設置箇所におけるせん断方向の歪を検出する歪センサと、ピン本体の軸方向の歪を検出する歪センサと、ピン本体の周方向の歪を検出する歪センサの組を用いると、算出できる荷重算出値の数を増加できるため、より高精度な荷重算出が可能になる。 The calculation of the load calculation value excluding the influence of the change in the cross-sectional shape of the pin body is provided with a strain sensor that detects at least the strain in the shear direction of the pin body and a strain sensor with a different strain detection direction. It's enough. As a strain detection member, a strain sensor that detects strain in the shear direction at the location where the strain sensor is installed, a strain sensor that detects strain in the axial direction of the pin body, and a strain sensor that detects strain in the circumferential direction of the pin body Since the number of load calculation values that can be calculated can be increased, more accurate load calculation is possible.
また本発明は、前記構成のピン型ロードセルにおいて、前記ピン本体の周方向に設置される前記歪センサの組を互いに直交する位置に備えることを特徴とする。 According to the present invention, in the pin type load cell having the above-described configuration, the set of strain sensors installed in the circumferential direction of the pin body is provided at a position orthogonal to each other.
かかる構成によると、各組の歪検出部材をピン本体の周方向に関して対向に配置する場合に比べて、歪検出部材の設置位置を減少できるので、ピン型ロードセルの製作をより容易化することができる。 According to such a configuration, the position of the strain detection member can be reduced as compared with the case where the strain detection members of each set are arranged opposite to each other in the circumferential direction of the pin body, so that the production of the pin type load cell can be facilitated. it can.
一方、本発明は、作業機械に関して、ピン型ロードセルを介して互いに回動自在に連結した機構部材と、前記機構部材を回動して所要の作業を実行する機構部材駆動部と、前記ピン型ロードセルの検出信号から前記機構部材の連結部に作用する荷重の大きさ及び作用方向を演算する演算装置と、前記演算装置の演算結果を表示する表示装置とを備えた作業機械において、前記ピン型ロードセルは、ピン本体と、前記ピン本体に設置した歪検出部材と、前記歪検出部材の検出信号から前記ピン本体に作用する荷重の大きさと作用方向を算出する荷重算出部を備え、前記歪検出部材は、歪検出方向が異なる２個以上の歪センサの組をもって構成し、前記ピン本体の周方向に２組以上設置することを特徴とする。 On the other hand, the present invention relates to a working machine, a mechanism member that is rotatably connected to each other via a pin type load cell, a mechanism member driving unit that rotates the mechanism member to perform a required operation, and the pin type In a work machine comprising: a calculation device that calculates the magnitude and direction of a load acting on a connection portion of the mechanism member from a detection signal of a load cell; and a display device that displays a calculation result of the calculation device, the pin type The load cell includes a pin body, a strain detection member installed on the pin body, and a load calculation unit that calculates a magnitude and a direction of a load acting on the pin body from a detection signal of the strain detection member, and the strain detection The member is composed of a set of two or more strain sensors having different strain detection directions, and two or more sets are installed in the circumferential direction of the pin body.
かかる構成によると、ピン型ロードセルを介して機構部材どうしを連結した作業機械について、ピン本体の寸法による制約を受けることなく、高い精度でピン本体に作用する荷重の大きさと作用方向を算出できるので、作業機械の状態把握及び駆動制御を安定かつ高精度に行うことができる。 According to such a configuration, the working machine in which the mechanical members are connected via the pin type load cell can calculate the magnitude and direction of the load acting on the pin body with high accuracy without being restricted by the dimensions of the pin body. Therefore, it is possible to grasp the state of the work machine and control the drive stably and with high accuracy.
本発明によれば、ピン型ロードセルを構成するピン本体に作用する荷重の方向が変化する場合においても、ピン本体の寸法による制約を受けない簡易な構成で、ピン本体に作用する荷重の大きさ及び方向を高精度に検出することができる。上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。 According to the present invention, even when the direction of the load acting on the pin main body constituting the pin type load cell changes, the load acting on the pin main body with a simple configuration that is not restricted by the dimensions of the pin main body. And the direction can be detected with high accuracy. Problems, configurations, and effects other than those described above will be clarified by the following description of embodiments.
以下、本発明の実施形態を、油圧ショベル及びこれに備える２軸ピン型ロードセルを例にとり、図面を参照して説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings, taking a hydraulic excavator and a biaxial pin type load cell provided therein as an example.
図１に示すように、実施形態に係る油圧ショベル１００は、地面と接して走行する下部走行体１０２と、下部走行体１０２上に取り付けられた上部作業体１０３と、一端が上部作業体１０３に回動可能に取り付けられた作業装置１０６とから主に構成する。 As shown in FIG. 1, a hydraulic excavator 100 according to the embodiment includes a lower traveling body 102 that travels in contact with the ground, an upper working body 103 attached on the lower traveling body 102, and one end on the upper working body 103. It is mainly composed of a work device 106 that is rotatably attached.
図１に記載の下部走行体１０２は、いわゆるクローラ式のものであり、地面に接する履体２０１と、履体２０１を駆動する駆動輪２０２と、履体２０１によって回転される従動輪２０３と、これらを支持する構造物２０４等で構成する。なお、下部走行体１０２は、複数の車輪を備えたいわゆるホイール式のものであっても良い。 A lower traveling body 102 shown in FIG. 1 is a so-called crawler type, a footwear 201 that is in contact with the ground, a drive wheel 202 that drives the footwear 201, a driven wheel 203 that is rotated by the footwear 201, It consists of the structure 204 etc. which support these. The lower traveling body 102 may be a so-called wheel type having a plurality of wheels.
上部作業体１０３は、旋回装置を介して、或いは旋回装置を介さずに、下部走行体１０２の上部に取り付ける。上部作業体１０３には、所要の操作装置を備えた運転室１０４を設け、運転室１０４内には、図示しない所要の操作装置を備える。運転室１０４内に乗り込んだオペレータは、操作装置を用いて下部走行体１０２及び作業装置１０６の駆動を操作し、掘削等の作業を行う。 The upper working body 103 is attached to the upper part of the lower traveling body 102 via the turning device or without the turning device. The upper working body 103 is provided with a driver's cab 104 having a required operating device, and the driver's cab 104 is provided with a required operating device (not shown). An operator who gets into the cab 104 operates the driving of the lower traveling body 102 and the work device 106 using the operation device, and performs work such as excavation.
作業装置１０６は、作業フロントとも呼ばれ、運転室１０４から見て上部作業体１０３の前方に取り付ける。図１の例において、作業装置１０６は、回動軸１４０を介して上下方向にのみ回動自在であるように上部作業体１０３に取り付けたブーム１１０と、回動軸１４１を介して上下方向にのみ回動自在であるようにブーム１１０の先端に取り付けたアーム１１２と、回動軸１４２を介して上下方向にのみ回動自在であるようにアーム１１２の先端に取り付けたアタッチメント１２３から構成される。 The work device 106 is also called a work front, and is attached to the front of the upper work body 103 when viewed from the operator cab 104. In the example of FIG. 1, the working device 106 includes a boom 110 attached to the upper working body 103 so as to be rotatable only in the vertical direction via the rotary shaft 140, and the vertical direction via the rotary shaft 141. The arm 112 is attached to the tip of the boom 110 so as to be rotatable only, and the attachment 123 is attached to the tip of the arm 112 so as to be rotatable only in the vertical direction via the turning shaft 142. .
図１の例においては、アタッチメント１２３としてバケット１２３Ａをアーム１１２の先端に取り付けている。バケット１２３Ａには、一端がアーム１１２に連結されたリンク機構１１８の他端を、回動軸１４４を介して連結する。また、リンク機構１１８には、一端がアーム１１２に取り付けたアタッチメントシリンダ１１５のロッド側の端部を、回動軸１４５を介して連結する。アタッチメントシリンダ１１５は油圧シリンダであり、伸縮することで回動軸１４２を中心としてアタッチメント１２３を回動させる。 In the example of FIG. 1, a bucket 123 </ b> A is attached to the tip of the arm 112 as the attachment 123. The other end of the link mechanism 118 whose one end is connected to the arm 112 is connected to the bucket 123 </ b> A via a rotating shaft 144. Further, the rod mechanism end of the attachment cylinder 115 having one end attached to the arm 112 is connected to the link mechanism 118 via a rotation shaft 145. The attachment cylinder 115 is a hydraulic cylinder, and rotates the attachment 123 around the rotation shaft 142 by expanding and contracting.
図４は、バケット１２３Ａを取り付けたアーム先端部の詳細図である。この図から明らかなように、図１に示したリンク機構１１８は、アタッチメントシリンダ１１５のロッド側の先端部とバケット１２３Ａの間に架け渡した第１リンク１１６と、アタッチメントシリンダ１１５のロッド側の先端部とアーム１１２の間に架け渡した第２リンク１１７を有している。第１リンク１１６は、一方側の端部において回動軸１４４を介してバケット１２３Ａに回動可能に取り付け、他方側の端部において回動軸１４５を介してアタッチメントシリンダ１１５に回動可能に取り付ける。一方、第２リンク１１７は、一方側の端部において回動軸１４６を介してアーム１１２と回動可能に取り付け、他方側の端部において回動軸１４５を介してアタッチメントシリンダ１１５に回動可能に取り付ける。なお、リンク機構１１８としては、他の構成のものを備えることもできる。例えば、図２のリンク機構１１８に、アタッチメントシリンダ１１５のロッド側の先端部と回動軸１４５の間に架け渡した第３のリンク部材と、アタッチメントシリンダ１１５のロッド側の先端部とアーム１１２の間に架け渡した第４のリンク部材とを追加してなる４節形のリンク機構を備えることができる。さらには、４つ以上のリンク部材の組合せからなるものを用いることもできる。 FIG. 4 is a detailed view of the arm tip with the bucket 123A attached thereto. As is apparent from this figure, the link mechanism 118 shown in FIG. 1 includes the first link 116 spanned between the rod end of the attachment cylinder 115 and the bucket 123A, and the rod end of the attachment cylinder 115. And a second link 117 that spans between the arm 112 and the arm 112. The first link 116 is pivotally attached to the bucket 123A via a pivot shaft 144 at one end, and is pivotally attached to the attachment cylinder 115 via the pivot shaft 145 at the other end. . On the other hand, the second link 117 is pivotally attached to the arm 112 via a pivot shaft 146 at one end and pivotable to the attachment cylinder 115 via the pivot shaft 145 at the other end. Attach to. Note that the link mechanism 118 may have another configuration. For example, the link mechanism 118 shown in FIG. 2 includes a third link member that spans between the rod-side tip of the attachment cylinder 115 and the rotation shaft 145, and the rod-side tip of the attachment cylinder 115 and the arm 112. A four-joint link mechanism obtained by adding a fourth link member sandwiched between them can be provided. Furthermore, what consists of a combination of four or more link members can also be used.
なお、作業によっては、バケットに代えて、グラップル、カッタ、ブレーカ、マグネット等の他のアタッチメントを取り付けることもできる。図３には、アタッチメント１２３としてマグネット１２３Ｂを備えたアーム先端部の図を示す。また、図４には、アタッチメント１２３としてグラップル１２３Ｃを備えたアーム先端部の図を示す。これらの図から明らかなように、アーム１１２の先端部とアタッチメント１２３（マグネット１２３Ｂ及びグラップル１２３Ｃ）とは、回動軸１４４を介して連結する。 Depending on the work, other attachments such as grapples, cutters, breakers, and magnets may be attached instead of the buckets. FIG. 3 shows a view of an arm tip provided with a magnet 123 </ b> B as an attachment 123. Further, FIG. 4 shows a view of an arm distal end portion provided with a grapple 123C as the attachment 123. As is clear from these drawings, the distal end portion of the arm 112 and the attachment 123 (the magnet 123B and the grapple 123C) are connected via the rotating shaft 144.
図５に本実施形態の荷重計測装置１５０の概略構成図を示す。荷重計測装置１５０は、主に、状態量検出手段４０と、演算装置１６０と、表示装置１６１とから構成する。 FIG. 5 shows a schematic configuration diagram of the load measuring device 150 of the present embodiment. The load measuring device 150 is mainly composed of a state quantity detection means 40, a calculation device 160, and a display device 161.
状態量検出手段４０は、作業機械１００の所要の部分に備えたピン型ロードセル４ａ、４ｂと、ブーム角度センサ１４０ａと、アーム角度センサ１４１ａと、アタッチメント角度センサ１４２ａをもって構成する。以下、実施の形態に係る状態量検出手段４０を、アタッチメント１２３の姿勢を検出する姿勢検出装置と、アタッチメント１２３に加わる荷重を検出する荷重検出装置とに分けて説明する。 The state quantity detection means 40 includes pin type load cells 4a and 4b provided in a required part of the work machine 100, a boom angle sensor 140a, an arm angle sensor 141a, and an attachment angle sensor 142a. Hereinafter, the state quantity detection unit 40 according to the embodiment will be described separately for a posture detection device that detects the posture of the attachment 123 and a load detection device that detects a load applied to the attachment 123.
まず、姿勢検出装置について説明する。図１に示すように、作業機械１００は、アタッチメント１２３の姿勢を検出する姿勢検出装置として、ブーム角度センサ１４０ａと、アーム角度センサ１４１ａと、アタッチメント角度センサ１４２ａを備えている。ブーム角度センサ１４０ａは、上部作業体１０３に対するブーム１１０の回転角度（相対角度）を検出するもので、上部作業体１０３とブーム１１０の回動軸１４０に設ける。アーム角度センサ１４１ａは、ブーム１１０に対するアーム１１２の回転角度（相対角度）を検出するもので、ブーム１１０とアーム１１２の回動軸１４１に設ける。アタッチメント角度センサ１４２ａは、アーム１１２に対するアタッチメント１２３の回転角度（相対角度）を検出するもので、アーム１１２とアタッチメント１２３の回動軸１４２に設ける。ブーム角度センサ１４０ａ、アーム角度センサ１４１ａ及びアタッチメント角度センサ１４２ａの検出値は、後述する演算装置１６０に入力し、水平面に対するアタッチメント１２３の姿勢の絶対角度θ（対地角度）の算出に用いる。 First, the attitude detection device will be described. As shown in FIG. 1, the work machine 100 includes a boom angle sensor 140a, an arm angle sensor 141a, and an attachment angle sensor 142a as a posture detection device that detects the posture of the attachment 123. The boom angle sensor 140 a detects the rotation angle (relative angle) of the boom 110 with respect to the upper working body 103, and is provided on the upper working body 103 and the pivot shaft 140 of the boom 110. The arm angle sensor 141 a detects the rotation angle (relative angle) of the arm 112 with respect to the boom 110 and is provided on the pivot shaft 141 of the boom 110 and the arm 112. The attachment angle sensor 142 a detects a rotation angle (relative angle) of the attachment 123 with respect to the arm 112, and is provided on the rotation shaft 142 of the arm 112 and the attachment 123. The detection values of the boom angle sensor 140a, the arm angle sensor 141a, and the attachment angle sensor 142a are input to the calculation device 160 described later, and are used to calculate the absolute angle θ (ground angle) of the attitude of the attachment 123 with respect to the horizontal plane.
次に、荷重検出装置について説明する。図２に示すように、作業機械１００は、アタッチメント１２３に加わる荷重を検出する荷重検出装置として、互いに直交する２軸方向の荷重を検出するピン型ロードセル４ａ、４ｂを有している。ピン型ロードセル４ａ、４ｂは、回動軸１４２及び回動軸１４４に設けた連結ピンに代えて設ける。ピン型ロードセル４ａ、４ｂは、回動軸１４２、１４４に相当する所要の形状及びサイズに形成されたピン本体に歪検出センサを設けることにより、ピン本体に作用する力を検出できるようになっている。ピン型ロードセル４ａ、４ｂの具体的な構成については後述する。ピン型ロードセル４ａは、アタッチメント１２３と一体となって回転するように、回動軸１４２の設定位置において、アタッチメント１２３に固定する。一方、ピン型ロードセル４ｂは、アタッチメント１２３と一体となって回転するように、回動軸１４４の設定位置において、アタッチメント１２３に固定する。 Next, the load detection device will be described. As illustrated in FIG. 2, the work machine 100 includes pin type load cells 4 a and 4 b that detect loads in two axial directions orthogonal to each other as a load detection device that detects a load applied to the attachment 123. The pin type load cells 4a and 4b are provided in place of the connecting pins provided on the rotating shaft 142 and the rotating shaft 144. The pin type load cells 4a and 4b can detect a force acting on the pin body by providing a strain detection sensor on the pin body formed in a required shape and size corresponding to the rotating shafts 142 and 144. Yes. The specific configuration of the pin type load cells 4a and 4b will be described later. The pin type load cell 4 a is fixed to the attachment 123 at the set position of the rotation shaft 142 so as to rotate integrally with the attachment 123. On the other hand, the pin type load cell 4 b is fixed to the attachment 123 at the set position of the rotation shaft 144 so as to rotate integrally with the attachment 123.
図６に示すように、アタッチメント１２３には、回動軸１４２、１４４を介してアーム１１２を連結するための２枚のリブ１２３ａ、１２３ｂが所要の間隔を隔てて対向に形成してある。アーム１１２とアタッチメント１２３は、アーム１１２の先端部を２枚のリブ１２３ａ、１２３ｂの間に配置した状態で、アーム１１２の先端部に開設された貫通孔及び２枚のリブ１２３ａ、１２３ｂに開設された貫通孔にピン型ロードセル４ａ、４ｂを貫通することにより回動自在に連結する。したがって、アタッチメント１２３に土砂等の負荷が加わった場合、ピン型ロードセル４ａ、４ｂには、図６に白抜き矢印で示すように、アーム１１２との接触部では上向きの、アタッチメント１２３との接触部では下向きの力が作用し、アーム１１２とリブ１２３ａ、１２３ｂの隙間部分１Ａ、１Ｂにせん断変形が生じる。このような理由から、ピン型ロードセル４ａ、４ｂとしては、この隙間部分１Ａ、１Ｂに生じるせん断歪を検出するものを用いる。 As shown in FIG. 6, the attachment 123 is formed with two ribs 123a and 123b for connecting the arm 112 via rotating shafts 142 and 144 facing each other with a predetermined interval therebetween. The arm 112 and the attachment 123 are opened in the through-hole opened in the distal end portion of the arm 112 and the two ribs 123a, 123b in a state where the distal end portion of the arm 112 is disposed between the two ribs 123a, 123b. The pin-type load cells 4a and 4b are passed through the through-holes so as to be pivotally connected. Therefore, when a load such as earth and sand is applied to the attachment 123, the pin-type load cells 4a and 4b have upward contact portions with the attachment 123 as shown by white arrows in FIG. Then, downward force acts, and shear deformation occurs in the gap portions 1A and 1B between the arm 112 and the ribs 123a and 123b. For this reason, as the pin type load cells 4a and 4b, those that detect shear strain generated in the gap portions 1A and 1B are used.
演算装置１６０は、図示しない中央処理装置及び記憶装置を有しており、状態量検出手段４０の検出信号に基づいて、アタッチメント１２３に加わる荷重の大きさと方向を算出する。表示装置１６１は、演算装置１６０と接続されており、演算装置１６０が算出した荷重の大きさと方向を表示する。作業機械のオペレータは、この表示装置１６１に表示される力の大きさと方向を参照しながら、作業機械の運転を行うことができる。 The arithmetic device 160 has a central processing unit and a storage device (not shown), and calculates the magnitude and direction of the load applied to the attachment 123 based on the detection signal of the state quantity detection means 40. The display device 161 is connected to the calculation device 160 and displays the magnitude and direction of the load calculated by the calculation device 160. The operator of the work machine can operate the work machine while referring to the magnitude and direction of the force displayed on the display device 161.
以下、図７を用いて演算装置１６０で行われる具体的な演算方法について説明する。演算装置１６０は、角度センサ１４０ａ、１４１ａ、１４２ａの検出信号に基づいてアタッチメント１２３の姿勢を検出すると共に、アタッチメント１２３の姿勢情報及びピン型ロードセル４ａ、４ｂの検出信号に基づいて、アタッチメント１２３に加わる荷重の大きさと方向を算出する。 Hereinafter, a specific calculation method performed by the calculation device 160 will be described with reference to FIG. The arithmetic device 160 detects the attitude of the attachment 123 based on the detection signals of the angle sensors 140a, 141a, 142a, and adds to the attachment 123 based on the attitude information of the attachment 123 and the detection signals of the pin type load cells 4a, 4b. Calculate the magnitude and direction of the load.
図７は、アタッチメント１２３に加わる力Ｆ１２３と、ピン型ロードセル４ａで検出される力Ｆ１４２と、ピン型ロードセル４ｂで検出される力Ｆ１４４との関係図である。基準座標系として、作業機械１００の前後方向にＸ’軸を、鉛直方向にＹ’軸を設定する。また、アタッチメント１２３の座標系（アタッチメント座標系）として、回動軸１４２と回動軸１４４を結ぶ線分の方向にｘ軸を、このｘ軸に対して垂直な方向にｙ軸を設定する。ここで、アタッチメント１２３における点Ｐ１２３に力Ｆ１２３が作用したとき、回動軸１４２には力Ｆ１４２が、回動軸１４４には力Ｆ１４４が作用したとする。 FIG. 7 is a relationship diagram of the force F 123 applied to the attachment 123, the force F 142 detected by the pin type load cell 4a, and the force F 144 detected by the pin type load cell 4b. As the reference coordinate system, the X ′ axis is set in the front-rear direction of the work machine 100 and the Y ′ axis is set in the vertical direction. Further, as the coordinate system (attachment coordinate system) of the attachment 123, the x-axis is set in the direction of the line segment connecting the rotation shaft 142 and the rotation shaft 144, and the y-axis is set in the direction perpendicular to the x-axis. Here, when the force F 123 to the point P 123 in the attachment 123 is applied, the force F 142 is the rotation shaft 142, the rotation shaft 144 and the force F 144 is applied.
このとき、回動軸１４２に設けられ、アタッチメント１２３に固定されているピン型ロードセル４ａは、回動軸１４２に作用する力Ｆ１４２を、ｘ軸方向の力Ｆ１４２ｘと、ｙ軸方向の力Ｆ１４２ｙとして検出し、演算装置１６０に出力する。同様に、回動軸１４４に設けられ、アタッチメント１２３に固定されているピン型ロードセル４ｂは、回動軸１４４に作用する力Ｆ１４４を、ｘ軸方向の力Ｆ１４４ｘと、ｙ軸方向の力Ｆ１４４ｙとして検出し、演算装置１６０に出力する。 At this time, the pin-type load cell 4a provided on the rotation shaft 142 and fixed to the attachment 123 has a force F 142 acting on the rotation shaft 142 , an x-axis direction force F 142x, and a y-axis direction force. F 142y is detected and output to the arithmetic unit 160. Similarly, the pin type load cell 4b provided on the rotation shaft 144 and fixed to the attachment 123 has a force F 144 acting on the rotation shaft 144 , an x-axis direction force F 144x, and a y-axis direction force. F 144y is detected and output to the arithmetic unit 160.
演算装置１６０はアタッチメント１２３に作用する力Ｆ１２３のｘ軸方向成分Ｆ１２３ｘ及びｙ軸方向成分Ｆ１２３ｙを、Ｆ１４２ｘ、Ｆ１４２ｙ、Ｆ１４４ｘ、Ｆ１４４ｙを用いて、下記の（１）式で算出する。
演算装置１６０は、水平面（ｘ軸方向）に対するアタッチメント１２３の角度θ（図７参照）を、ブーム角度センサ１４０ａ、アーム角度センサ１４１ａ及びアタッチメント角度センサ１４２ａ（姿勢検出装置）の検出値に基づいて算出する。そして、演算装置１６０は、上記の角度θと上式から算出されたＦ１２３ｘ、Ｆ１２３ｙを用いて、アタッチメント１２３に加わる力Ｆ１２３のＸ’軸方向成分Ｆ１２３Ｘ’とＹ’軸方向成分Ｆ１２３Ｙ’を、下記の（２）式で算出する。これにより、演算装置１６０は、アタッチメント１２３に作用する力Ｆ１２３の大きさと方向を算出することができる。
次に、実施の形態に係るピン型ロードセル４ａ、４ｂの詳細について説明する。図８に示すように、実施の形態に係るピン型ロードセル４は、ピン本体１と、ピン本体１の軸方向に設けたピン穴２と、ピン本体１に発生する歪を検出する歪検出部材２０と、歪検出部材２０の検出信号から当該ピン型ロードセル４に作用する荷重を算出する荷重算出部３０とから構成する。荷重算出部３０は、歪検出部材２０の検出信号を取り込む入力部３１と、歪検出部材２０の検出値からピン本体１に加わる２軸方向の荷重Ｆｘ、Ｆｙを算出する算出部３２と、算出部３２が算出した２軸方向の荷重Ｆｘ、Ｆｙを演算装置１６０（図５参照）に出力する出力部３３とから構成する。なお、ピン型ロードセル４は、ピン型ロードセル４ａ、４ｂの総称である。 Next, details of the pin type load cells 4a and 4b according to the embodiment will be described. As shown in FIG. 8, the pin type load cell 4 according to the embodiment includes a pin body 1, a pin hole 2 provided in the axial direction of the pin body 1, and a strain detection member that detects strain generated in the pin body 1. 20 and a load calculation unit 30 that calculates a load acting on the pin type load cell 4 from the detection signal of the strain detection member 20. The load calculation unit 30 includes an input unit 31 that captures a detection signal of the strain detection member 20, a calculation unit 32 that calculates biaxial loads Fx and Fy applied to the pin body 1 from the detection value of the strain detection member 20, and a calculation The output unit 33 is configured to output the biaxial loads Fx and Fy calculated by the unit 32 to the arithmetic device 160 (see FIG. 5). The pin type load cell 4 is a general term for the pin type load cells 4a and 4b.
ピン本体１は、例えばＳ４５Ｃ等の構造用炭素鋼を用いて、外観形状を円柱状に形成する。ピン本体１の外周の所定位置、即ち、図６に示したせん断歪発生部１Ａ、１Ｂに相当する部分には、凹部を形成してある。ピン穴２は、ピン本体１と同心で、ピン本体１の軸方向に設けた穴であり、ピン本体１を貫通する貫通孔とすることもできるし、ピン本体１の両端から少なくとも図６のせん断歪発生部１Ａ、１Ｂに相当する部分まで達するように設けた半貫通孔とすることもできる。 The pin main body 1 is formed in a cylindrical shape using, for example, structural carbon steel such as S45C. Concave portions are formed at predetermined positions on the outer periphery of the pin body 1, that is, at portions corresponding to the shear strain generating portions 1A and 1B shown in FIG. The pin hole 2 is a hole that is concentric with the pin body 1 and provided in the axial direction of the pin body 1. The pin hole 2 can be a through-hole penetrating the pin body 1. A semi-through hole provided so as to reach portions corresponding to the shear strain generating portions 1A and 1B can also be used.
歪検出部材２０は、ピン本体１の歪量を検出する複数の歪センサ２０１〜２０４、２１１〜２１４をもって構成され、これらの各歪センサ２０１〜２０４、２１１〜２１４は、せん断変形発生部１Ａ、１Ｂにおけるピン穴２の内壁面に設けられる。ここで、歪センサ２０１〜２０４、２１１〜２１４としては、一般に広く使用されている金属抵抗式歪ゲージや、単結晶シリコン基板に不純物を導入した不純物拡散抵抗を用いた半導体歪センサ等を用いることができる。 The strain detection member 20 includes a plurality of strain sensors 201 to 204 and 211 to 214 that detect the strain amount of the pin body 1, and each of the strain sensors 201 to 204 and 211 to 214 includes the shear deformation generator 1 </ b> A, It is provided on the inner wall surface of the pin hole 2 in 1B. Here, as the strain sensors 201 to 204 and 211 to 214, a generally used metal resistance strain gauge, a semiconductor strain sensor using an impurity diffusion resistance in which an impurity is introduced into a single crystal silicon substrate, or the like is used. Can do.
実施の形態に係る歪検出部材２０及び荷重算出部３０の詳細を説明する前に、従来のピン型ロードセルにおいて、作用する荷重の方向が変化する際に発生する計測誤差の発生原理及び発生する誤差の傾向について説明する。本発明は以下に示す誤差に関する考察をもとになされたものであり、以下に示す原理で発生する誤差を回避する構成を有する。 Before explaining the details of the strain detection member 20 and the load calculation unit 30 according to the embodiment, in the conventional pin type load cell, the generation principle of the measurement error that occurs when the direction of the applied load changes and the error that occurs The tendency of is explained. The present invention has been made on the basis of the following considerations on errors, and has a configuration for avoiding errors generated by the following principle.
なお、従来例に係るピン型ロードセルとしては、説明を容易にするため、図９に示すように、ピン本体１におけるせん断変形発生部１Ａ、１Ｂのそれぞれに対応するピン穴壁面の同一円周上に、９０°ピッチで４枚の歪センサ２０１ａ、２０２ａ、２０３ａ、２０４ａを取り付けたものを例にとって説明する。対向に配置した歪センサ２０１ａと２０２ａ及び歪センサ２０３ａと２０４ａは、それぞれ一対の歪センサ対を構成する。このように、図９に示した従来例に係るピン型ロードセルは、２枚を一対とする２対の歪センサ対を、互いに直交するように配置してなる。 In addition, as a pin type load cell according to the conventional example, for ease of explanation, as shown in FIG. 9, on the same circumference of the pin hole wall surface corresponding to each of the shear deformation generating portions 1 </ b> A and 1 </ b> B in the pin body 1. Next, an example in which four strain sensors 201a, 202a, 203a, and 204a are attached at a pitch of 90 ° will be described. The strain sensors 201a and 202a and the strain sensors 203a and 204a arranged opposite to each other constitute a pair of strain sensors. In this manner, the pin type load cell according to the conventional example shown in FIG. 9 is formed by arranging two pairs of strain sensors, each of which is a pair, so as to be orthogonal to each other.
図１０に、従来例に係るピン型ロードセル４のせん断変形発生部１Ａを拡大して示す。この図から明らかなように、一対の歪センサ２０１ａと２０２ａは、荷重点１Ｃと支持点１Ｄの中間位置１Ｅ（計測点）に相当する部位に取り付ける。なお、図示は省略するが、他の一対の歪センサ２０３ａと２０４ａも、荷重点１Ｃと支持点１Ｄの中間位置１Ｅ（計測点）に相当する部位に取り付ける。歪センサ２０１ａ、２０２ａは、計測点の近傍における軸方向に対して４５°方向の伸縮を検出し、これら２枚の歪センサ２０１ａ、２０２ａの出力値の差をせん断歪として出力する。同様に、歪センサ２０３ａ、２０４ａは、計測点の近傍における軸方向に対して４５°方向の伸縮を検出し、これら２枚の歪センサ２０３ａ、２０４ａの出力値の差をせん断歪として出力する。ピン型ロードセル４の断面形状が変化せず、歪センサ２０１ａ〜２０４ａに対してせん断変形のみが作用する場合、ピン型ロードセル４は、これに作用する荷重のセンサ設置面に対応した方向成分に応じたせん断歪を検出する。 FIG. 10 shows an enlarged view of the shear deformation generating portion 1A of the pin type load cell 4 according to the conventional example. As is apparent from this figure, the pair of strain sensors 201a and 202a is attached to a portion corresponding to an intermediate position 1E (measurement point) between the load point 1C and the support point 1D. Although not shown, the other pair of strain sensors 203a and 204a are also attached to a portion corresponding to an intermediate position 1E (measurement point) between the load point 1C and the support point 1D. The strain sensors 201a and 202a detect expansion and contraction in the direction of 45 ° with respect to the axial direction in the vicinity of the measurement point, and output the difference between the output values of the two strain sensors 201a and 202a as shear strain. Similarly, the strain sensors 203a and 204a detect expansion and contraction in the direction of 45 ° with respect to the axial direction in the vicinity of the measurement point, and output the difference between the output values of the two strain sensors 203a and 204a as shear strain. When the cross-sectional shape of the pin type load cell 4 does not change and only the shear deformation acts on the strain sensors 201a to 204a, the pin type load cell 4 responds to the direction component corresponding to the sensor installation surface of the load acting on this. Detects shear strain.
このピン型ロードセル４に対し、歪センサ２０１ａと２０２ａの設置方向を０°とするθ方向（図９参照）から大きさＦの荷重が作用した時、０°方向に備えられた歪センサ対（２０１ａ、２０２ａ）と９０°方向に備えられた歪センサ対（２０３ａ、２０４ａ）の出力値Ｓｘ及びＳｙは、理論的には下記の（３）式で表される関係にある。
ここで、１／αは歪センサの荷重に対する感度を表す定数である。ｘ軸方向の力Ｆｘ、ｙ軸方向の力Ｆｙは、各センサ対の出力値Ｓｘ、Ｓｙに、αを乗ずることにより算出できる。また、荷重の大きさは、Ｆｘ、Ｆｙを用いて、下記の（４）式で算出できる。
しかしながら、実際には、荷重を受けたとき、ピン穴２やピン取付部の寸法公差等の影響によりピン型ロードセル４の断面形状が図１１に示すように変形するので、ピン型ロードセル４は、これに作用する荷重に応じたせん断歪のみならず、断面形状の変形に起因する歪も検出する。図１１（ａ）は荷重点１Ｃ、図１１（ｂ）は計測点１Ｅ、図１１（ｃ）は支持点１Ｄにおける断面形状の変形の拡大図である。これらの図から明らかなように、荷重点１Ｃ及び支持点１Ｄでは、荷重の影響により、上下非対称な変形となる。各点における断面形状に着目すると、荷重点１Ｃでは上部が小さく下部が大きい形状となり、逆に支持点１Ｄでは上部が大きく下部が小さい形状となる。このような場合には、歪センサ２００の検出値にはせん断変形による歪に加えて、上記の非対称な変形によって発生する歪が含まれる。また、この非対称な断面形状の変形による歪は、荷重作用方向とセンサ位置の関係によって異なるため、荷重作用方向によって非対称な断面形状の変形による影響の大きさは変化し、ある荷重作用方向において校正した歪センサの校正値を用いて荷重値を算出すると、荷重作用方向が変化した際に計測誤差が生じる。 However, in actuality, when a load is received, the cross-sectional shape of the pin type load cell 4 is deformed as shown in FIG. 11 due to the dimensional tolerance of the pin hole 2 or the pin mounting portion. Not only the shear strain corresponding to the load acting on this, but also the strain caused by the deformation of the cross-sectional shape is detected. 11A is a load point 1C, FIG. 11B is a measurement point 1E, and FIG. 11C is an enlarged view of the deformation of the cross-sectional shape at the support point 1D. As is clear from these figures, the load point 1C and the support point 1D are asymmetric in the vertical direction due to the influence of the load. Focusing on the cross-sectional shape at each point, the load point 1C has a shape with a small upper portion and a large lower portion, and conversely, the support point 1D has a shape with a large upper portion and a small lower portion. In such a case, the detection value of the strain sensor 200 includes the strain generated by the asymmetric deformation in addition to the strain due to the shear deformation. In addition, since the distortion due to the deformation of the asymmetrical cross-sectional shape differs depending on the relationship between the load acting direction and the sensor position, the magnitude of the influence due to the deformation of the asymmetrical cross-sectional shape varies depending on the load acting direction, and calibration is performed in a certain load acting direction. If the load value is calculated using the calibration value of the strain sensor, a measurement error occurs when the load acting direction changes.
図１２（ａ）に、荷重作用方向を０°から３６０°まで変化させたときのｘ軸方向及びｙ軸方向の荷重の理論値及び算出値の傾向を示す。また、図１２（ｂ）に横軸を荷重作用方向、縦軸を荷重の大きさの算出値とするグラフ図を示す。これらの図から明らかなように、荷重計測誤差は、荷重作用方向によって変化し、４５°、１３５°、２２５°、３１５°で特に大きくなる傾向がある。また、荷重算出値は、０°、９０°、１８０°、２７０°で最小値を取る傾向がある。つまり、０°方向及び９０°方向の荷重を用いて導出した歪センサ校正結果を用いる場合には、誤差は常に正方向に発生する。荷重計測誤差の大きさは、ピンの剛性、即ち、ピンの材質や外径、ピン穴径によって異なり、ピン穴径が小さい場合には減少する。一方、荷重作用方向と誤差の大きさとの関係は常に上記と同様の傾向を示す。 FIG. 12A shows the tendency of the theoretical value and the calculated value of the load in the x-axis direction and the y-axis direction when the load acting direction is changed from 0 ° to 360 °. FIG. 12B is a graph showing the load acting direction as the horizontal axis and the calculated value of the load as the vertical axis. As is clear from these figures, the load measurement error varies depending on the load acting direction and tends to be particularly large at 45 °, 135 °, 225 °, and 315 °. The calculated load value tends to take a minimum value at 0 °, 90 °, 180 °, and 270 °. That is, when using the strain sensor calibration result derived using the 0 ° direction and 90 ° direction loads, the error always occurs in the positive direction. The magnitude of the load measurement error varies depending on the rigidity of the pin, that is, the pin material, outer diameter, and pin hole diameter, and decreases when the pin hole diameter is small. On the other hand, the relationship between the direction of load application and the magnitude of error always shows the same tendency as described above.
上述したように、荷重によりピン本体１の断面形状が上下非対称に変形する場合には、ピン本体１の０°方向に備えられた歪センサ対（２０１ａ、２０２ａ）と９０°方向に備えられた歪センサ対（２０３ａ、２０４ａ）の出力値Ｓｘ、Ｓｙを用いても、ピン本体１に作用する荷重Ｆ及びその作用方向を正確に求めることができない。ピン本体１に作用する荷重Ｆ及びその作用方向を正確に求めるためには、ピン本体１の断面形状の非対称な変形の影響に起因する荷重計測誤差を除去する必要がある。 As described above, when the cross-sectional shape of the pin body 1 is deformed asymmetrically due to the load, the pin body 1 is provided in the 90 ° direction with the strain sensor pair (201a, 202a) provided in the 0 ° direction. Even if the output values Sx and Sy of the strain sensor pair (203a, 204a) are used, the load F acting on the pin body 1 and the acting direction thereof cannot be obtained accurately. In order to accurately determine the load F acting on the pin main body 1 and the direction of the load F, it is necessary to remove a load measurement error caused by an asymmetric deformation of the cross-sectional shape of the pin main body 1.
本発明のピン型ロードセルは、上述の知見に基づいて創作されたものであり、以下に記載の構成を有する。本発明のピン型ロードセルによれば、ピン本体１の断面形状変形の影響を除去でき、荷重の作用方向によらず、作用する荷重の大きさ及びその作用方向を高精度に検出できる。 The pin-type load cell of the present invention has been created based on the above-described knowledge and has the configuration described below. According to the pin type load cell of the present invention, the influence of the deformation of the cross-sectional shape of the pin body 1 can be removed, and the magnitude of the acting load and the acting direction can be detected with high accuracy regardless of the acting direction of the load.
図１３（ａ）は、図８のＡ−Ａ’断面図であり、図１３（ｂ）は、せん断変形発生部１Ａに設置される各歪センサの構成と配置とを示す図である。図１３（ａ）、（ｂ）に示す２軸ピン型ロードセル４は、歪検出部材２０として、検出方向が異なる２個を１組とする４組の歪センサを備えると共に、せん断変形発生部１Ａ、１Ｂに対応するピン穴２の壁面の円周上に、２組の歪センサをそれぞれ対向に配置している。 FIG. 13A is a cross-sectional view taken along the line A-A ′ of FIG. 8, and FIG. 13B is a diagram illustrating the configuration and arrangement of each strain sensor installed in the shear deformation generating unit 1 </ b> A. The biaxial pin type load cell 4 shown in FIGS. 13A and 13B includes, as the strain detection member 20, four sets of strain sensors, each having two detection directions different from each other, and a shear deformation generator 1A. Two sets of strain sensors are arranged opposite to each other on the circumference of the wall surface of the pin hole 2 corresponding to 1B.
即ち、図１３（ａ）、（ｂ）に示す２軸ピン型ロードセル４は、歪検出部材２０としてせん断変形発生部１Ａに対応するピン穴２の壁面に、互いに対向に配置された２対４組の歪センサ２０１、２０２、２０３、２０４を備える。各組の歪センサ２０１、２０２、２０３、２０４は、図１３（ｂ）に示すように、検出方向が異なる２個の歪センサ（２０１ａと２０１ｂ）、（２０２ａと２０２ｂ）、（２０３ａと２０３ｂ）、（２０４ａと２０４ｂ）からなる。図１３（ａ）に示すように、歪センサ組２０１と２０２、２０３と２０４は対向するように設けられ、それぞれ歪センサ対を形成する。なお、図１３（ａ）では、２つの歪センサ対（２０１、２０２）と（２０３、２０４）とが直交するように、０°方向に（２０１、２０２）を、９０°方向に（２０３、２０４）を備える例を示したが、２つの歪センサ対の設置位置は必ずしも０°方向及び９０°方向である必要はなく、ピン穴２の内壁の円周上の任意の位置に配置して良い。但し、荷重作用方向がいかなる場合も十分な出力値を得るためには、歪センサ対を４５°以上離した位置に配置することが望ましい。 That is, the biaxial pin type load cell 4 shown in FIGS. 13A and 13B has two pairs 4 arranged on the wall surface of the pin hole 2 corresponding to the shear deformation generating portion 1A as the strain detecting member 20 so as to face each other. A set of strain sensors 201, 202, 203, 204 is provided. As shown in FIG. 13B, each set of strain sensors 201, 202, 203, and 204 includes two strain sensors (201a and 201b), (202a and 202b), and (203a and 203b) having different detection directions. , (204a and 204b). As shown in FIG. 13A, the strain sensor groups 201 and 202, 203 and 204 are provided so as to face each other and form a strain sensor pair. In FIG. 13A, (201, 202) in the 0 ° direction and (203, 202) in the 90 ° direction so that the two strain sensor pairs (201, 202) and (203, 204) are orthogonal to each other. 204), the installation positions of the two strain sensor pairs are not necessarily in the 0 ° direction and the 90 ° direction, but are arranged at arbitrary positions on the circumference of the inner wall of the pin hole 2. good. However, in order to obtain a sufficient output value in any load application direction, it is desirable to dispose the strain sensor pair at a position separated by 45 ° or more.
歪センサ組２０１、２０２、２０３、２０４は、図１３（ｂ）に示すように、それぞれ、ピン軸方向に対して４５°方向の歪を検出する歪センサ（２０１ａ、２０２ａ、２０３ａ、２０４ａ）とピン軸方向の歪を検出する歪センサ（２０１ｂ、２０２ｂ、２０３ｂ、２０４ｂ）とから構成する。つまり、せん断変形発生部１Ａに対応するピン穴２の内壁面におけるピン軸方向に対して４５°方向の歪を検出する歪センサと、せん断変形発生部１Ａに対応するピン穴２の内壁面におけるピン軸方向の歪を検出する歪センサをもって１組の歪センサとし、これを接着等の方法を用いて４つの歪検出位置に取り付ける。 As shown in FIG. 13B, the strain sensor groups 201, 202, 203, and 204 are strain sensors (201a, 202a, 203a, and 204a) that detect strain in a 45 ° direction with respect to the pin axis direction, respectively. It comprises strain sensors (201b, 202b, 203b, 204b) that detect strain in the pin axis direction. That is, a strain sensor that detects a 45 ° direction strain on the inner wall surface of the pin hole 2 corresponding to the shear deformation generating portion 1A, and an inner wall surface of the pin hole 2 corresponding to the shear deformation generating portion 1A. A strain sensor that detects strain in the pin axis direction is used as a set of strain sensors, which are attached to four strain detection positions using a method such as adhesion.
せん断変形発生部１Ｂについてもこれと同様であり、図８に示すように、せん断変形発生部１Ｂに対応するピン穴２の壁面に、歪センサ２１１（２１１ａ、２１１ｂ）、２１２（２１２ａ、２１２ｂ）、２１３（２１３ａ、２１３ｂ）、２１４（２１４ａ、２１４ｂ）の４組を備える。 The same applies to the shear deformation generating portion 1B. As shown in FIG. 8, strain sensors 211 (211a, 211b), 212 (212a, 212b) are provided on the wall surface of the pin hole 2 corresponding to the shear deformation generating portion 1B. 213 (213a, 213b) and 214 (214a, 214b).
荷重算出部３０は、マイクロコンピュータ等から構成され、歪検出部材２０の検出信号を入力する入力部３１と、歪検出部材２０の検出信号を用いてピン本体１に加わる荷重を算出する算出部３２と、算出された２軸方向の荷重Ｆｘ、Ｆｙを出力する出力部３４を有する。 The load calculation unit 30 includes a microcomputer or the like, and includes an input unit 31 that inputs a detection signal of the strain detection member 20 and a calculation unit 32 that calculates a load applied to the pin body 1 using the detection signal of the strain detection member 20. And an output unit 34 for outputting the calculated loads Fx and Fy in the biaxial direction.
算出部３２では、歪検出部材２０を構成する歪センサのうち、同一の検出方向を持つ歪センサを用いて、歪検出方向ごとに荷重算出値を算出し、算出された複数の荷重算出値と、校正情報としてあらかじめ導出された、歪検出方向ごとの荷重算出値間の相関情報とを用いて、算出された荷重値に含まれるピン本体１の断面形状変化の影響を除去し、ピン本体１に作用する荷重値を算出する。 The calculation unit 32 calculates a load calculation value for each strain detection direction using a strain sensor having the same detection direction among the strain sensors constituting the strain detection member 20, and calculates a plurality of calculated load calculation values. The influence of the cross-sectional shape change of the pin body 1 included in the calculated load value is removed using the correlation information between the load calculation values for each strain detection direction, which is derived in advance as calibration information, and the pin body 1 The load value that acts on is calculated.
以下、算出部３２における荷重算出方法の詳細を説明する。 Hereinafter, the details of the load calculation method in the calculation unit 32 will be described.
まず、歪検出部材２０の検出信号を用いて、歪センサの歪検出方向ごとに荷重値を算出する。図１３（ｂ）に示した例では、歪センサ２０１ａ、２０２ａ、２０３ａ、２０４ａは、ピン軸方向に対して４５°方向の歪を検出し、歪センサ２０１ｂ、２０２ｂ、２０３ｂ、２０４ｂは、ピン軸方向の歪を検出する。そして、歪センサ２０１ａ、２０２ａ、２０３ａ、２０４ａの検出値を用いて荷重算出値Ｆａを算出し、歪センサ２０１ｂ、２０２ｂ、２０３ｂ、２０４ｂの検出値を用いて荷重算出値Ｆｂを算出する。 First, using the detection signal of the strain detection member 20, a load value is calculated for each strain detection direction of the strain sensor. In the example illustrated in FIG. 13B, the strain sensors 201a, 202a, 203a, and 204a detect strain in a 45 ° direction with respect to the pin axis direction, and the strain sensors 201b, 202b, 203b, and 204b include the pin axis. Detect direction distortion. Then, the load calculation value Fa is calculated using the detection values of the strain sensors 201a, 202a, 203a, and 204a, and the load calculation value Fb is calculated using the detection values of the strain sensors 201b, 202b, 203b, and 204b.
具体的には、まず、対向に設置された歪センサ２０１ａと２０２ａの出力値の差分より歪出力値Ｓ２０１Ａを算出し、歪センサ２０３ａと２０４ａの出力値の差分より歪出力値Ｓ２０３Ａを算出する。同様に、歪センサ２０１ｂと２０２ｂの出力値の差分より歪出力値Ｓ２０１Ｂを算出し、歪センサ２０３ｂと２０４ｂの出力値の差分より歪出力値Ｓ２０３Ｂを算出する。次に、歪検出方向がピン軸方向に対して４５°方向の歪センサを用いた荷重算出値Ｆａを歪出力値Ｓ２０１Ａ、Ｓ２０３Ａから算出し、歪検出方向がピン軸方向の歪センサを用いた荷重算出値Ｆｂを歪出力値Ｓ２０１Ｂ、Ｓ２０３Ｂから算出する。図１３（ａ）のように、歪センサ２０１と２０２を０°方向に、歪センサ２０３と２０４を９０°方向に設けた場合、荷重算出値Ｆａ、Ｆｂは、下記の（５）式で算出できる。
歪センサ２０１と歪センサ２０２をθ１方向に、歪センサ２０３と２０４をθ２方向に設けた場合、荷重算出値Ｆａ、Ｆｂは、下記の（６）式で算出される。なお、以降の演算は、センサ組の設置位置に関わらず、同様であるため、歪センサ２０１と歪センサ２０２を０°方向に、歪センサ２０３と２０４を９０°方向に設ける例を用いて説明する。
次に、荷重算出値Ｆａ、Ｆｂと、校正情報としてあらかじめ導出された歪検出方向ごとの荷重算出値ＦａとＦｂの相関情報とを用いて、荷重算出値に含まれるピン本体１の断面形状変化の影響を除去し、せん断変形発生部１Ａに作用する荷重Ｆ１Ａｘ、Ｆ１Ａｙを算出する。 Next, using the calculated load values Fa and Fb and the correlation information of the calculated load values Fa and Fb for each strain detection direction previously derived as calibration information, the cross-sectional shape change of the pin body 1 included in the calculated load value The loads F1Ax and F1Ay acting on the shear deformation generating portion 1A are calculated.
上述のように、実際にピン本体１に作用する荷重の大きさが変化しない場合においても、ピン本体１の断面形状が非対称に変形した場合には、その影響により、荷重作用方向を変化させた際に、荷重算出値Ｆａ、Ｆｂが変動する。ピン本体１の断面形状変化の影響を詳細に検討した結果、荷重作用方向による荷重算出値の変動は、ピン軸に対して４５°方向の歪を検出する歪センサの出力値から算出したＦａと、ピン軸方向の歪を検出する歪センサの出力値から算出したＦｂとで同様の傾向を示すことが確認された。 As described above, even when the magnitude of the load actually acting on the pin body 1 does not change, when the cross-sectional shape of the pin body 1 is deformed asymmetrically, the load acting direction is changed due to the influence. At this time, the load calculation values Fa and Fb vary. As a result of examining the effect of the cross-sectional shape change of the pin body 1 in detail, the fluctuation of the load calculation value due to the load acting direction is expressed as Fa calculated from the output value of the strain sensor that detects the strain in the 45 ° direction with respect to the pin axis. It was confirmed that the same tendency was observed with Fb calculated from the output value of the strain sensor for detecting the strain in the pin axis direction.
図１４に、荷重の作用方向を変化させた際の、荷重算出値Ｆａ、Ｆｂの算出結果を示す。図１４（ａ）、（ｂ）に示すように、荷重の作用方向を変化させた際の変動の大きさは荷重算出値ＦａとＦｂで異なるものの、荷重算出値Ｆａ、Ｆｂはいずれも、荷重の作用方向が０°、９０°、１８０°、２７０°で最小値を取り、４５°、１３５°、２２５°、３１５°で最大値を取る傾向がある。荷重算出値Ｆａ、Ｆｂの最小値からのずれ分が、断面変形の影響分である。 FIG. 14 shows calculation results of the load calculation values Fa and Fb when the load acting direction is changed. As shown in FIGS. 14 (a) and 14 (b), although the magnitude of the fluctuation when the direction of the load is changed differs between the load calculation values Fa and Fb, the load calculation values Fa and Fb are both load values. Tends to take a minimum value at 0, 90, 180, and 270 degrees, and to take a maximum at 45, 135, 225, and 315 degrees. The deviation from the minimum value of the load calculation values Fa and Fb is the influence of the cross-sectional deformation.
図１４（ｃ）は、せん断変形発生部１Ａに作用する荷重の大きさを変えた際の、荷重算出値ＦａとＦｂの相関を示している。この図に示されるように、作用した荷重の大きさによらず、荷重の作用方向を変化させた際の荷重算出値Ｆａ、Ｆｂの最小値は、いずれも、せん断変形発生部１Ａに作用する荷重の大きさどおりの値となる。また、荷重算出値Ｆａにおける最小値からのずれ分、すなわち、断面形状変化の影響分と、荷重算出値Ｆｂにおける最小値からのずれ分とは線形の関係にあり、その比例係数は、荷重の大きさを変えた場合にも変化しないことが確認できる。断面形状変化の影響の大きさは、荷重の作用方向によって変化するため、荷重作用方向θの関数として表すことができ、せん断変形発生部１Ａに作用する荷重の大きさＦ１Ａと、荷重算出値Ｆａ、Ｆｂとの関係は下記の（７）式で表わすことができる。
断面変形の影響を表す関数δ（θ）及び係数γは、ピン型ロードセル４の校正試験によって導出できる。図１３に示すセンサ配置とする場合には、図１４（ａ）、（ｂ）に示されるように、断面形状変化の影響の大きさを表す関数δ（θ）は０°、９０°において０となり、４５°において最大値となる、周期が９０°の周期関数である。δ（θ）の形式としては、例えば、下記の（８）式で表される例が考えられる。
（７）式において、荷重算出値Ｆａ、Ｆｂは歪センサの出力値から算出される値であり、この２つの式を用いれば、せん断変形発生部１Ａに作用する荷重の大きさＦ１Ａと荷重作用方向θ１Ａを算出することができる。具体的には、Ｆ１Ａは下記の（９）式で算出される。
また、断面変形の影響分は下記の（１０）式で算出される。
荷重作用方向θ１Ａは、δ（θ）の逆関数に上式で算出されるδ（θ１Ａ）の値を代入して算出される値と、ｘ軸方向の荷重算出値Ｆａｘとｙ軸方向の荷重算出値Ｆａｙを用いて算出されるｔａｎ−１（Ｆａｙ／Ｆａｘ）から導出できる。 The load acting direction θ1A is calculated by substituting the value of δ (θ1A) calculated by the above equation for the inverse function of δ (θ), the load calculation value Fax in the x-axis direction, and the load in the y-axis direction. It can be derived from tan −1 (Fay / Fax) calculated using the calculated value Fay.
上述の演算を行った後、荷重算出部３０は、算出した荷重の大きさＦ１Ａと荷重作用方向θ１Ａとを用いて、せん断変形発生部１Ａに作用するｘ軸方向の荷重Ｆ１Ａｘとｙ軸方向の荷重Ｆ１Ａｙを下記の（１１）式で算出する。
せん断変形発生部１Ｂについても、これと同様の演算を行い、せん断変形発生部１Ｂに作用する荷重Ｆ１Ｂｘ、Ｆ１Ｂｙを算出する。荷重算出部３０は、ピン型ロードセル４に作用する荷重を、下記の（１２）式で、せん断変形発生部Ｆ１Ａにおいて検出された荷重値とせん断変形発生部Ｆ１Ｂにおいて検出された荷重値の和として算出し、荷重算出値Ｆ１ｘ、Ｆ１ｙとして出力する。
また、ピン型ロードセル４に作用する荷重の大きさＦ１は、下記の（１３）式で算出される。
以下に、本実施の形態に係るピン型ロードセル４の効果について述べる。 Hereinafter, effects of the pin type load cell 4 according to the present embodiment will be described.
本実施の形態に係るピン型ロードセル４は、検出方向が異なる複数の歪センサを同一箇所に設置し、それらの各出力値の関係を用いて、ピン本体１の断面形状の非対称な変形の影響を除去するため、従来例に係るピン型ロードセルを用いた場合と比べて、荷重算出値の誤差を大幅に抑制することができる。図１５に、本実施の形態に係るピン型ロードセル４を用いた場合の荷重方向に応じた荷重算出値と、従来例に係るピン型ロードセルを用いた場合の荷重方向に応じた荷重算出値とを比較して示す。この図から明らかなように、従来例においては荷重作用方向が４５°、１３５°、２２５°、３１５°付近の場合に大きな誤差が発生していたが、本実施の形態の構成では、そのような荷重作用方向においても誤差を小さく保つことができ、荷重作用方向によらず高精度な計測ができていることがわかる。また、本実施の形態のピン型ロードセル４では、ピン穴２に制約を設けることなく、上述の結果が得られており、ピンの外径が小さい場合にも、高精度な荷重計測が可能である。 In the pin type load cell 4 according to the present embodiment, a plurality of strain sensors with different detection directions are installed at the same location, and the influence of asymmetric deformation of the cross-sectional shape of the pin body 1 is determined using the relationship between the respective output values. Therefore, the error of the load calculation value can be significantly suppressed as compared with the case where the pin type load cell according to the conventional example is used. FIG. 15 shows a load calculation value according to the load direction when the pin type load cell 4 according to the present embodiment is used, and a load calculation value according to the load direction when the pin type load cell according to the conventional example is used. Are shown in comparison. As is clear from this figure, in the conventional example, a large error occurs when the load acting direction is around 45 °, 135 °, 225 °, and 315 °, but in the configuration of the present embodiment, this is the case. It can be seen that the error can be kept small even in the direction of the load application, and the measurement can be performed with high accuracy regardless of the direction of the load application. Moreover, in the pin type load cell 4 of the present embodiment, the above-mentioned result is obtained without any restriction on the pin hole 2, and even when the outer diameter of the pin is small, highly accurate load measurement is possible. is there.
また、上述のように本実施の形態に係る作業機械は、荷重の作用方向が時々刻々と変化した場合においても、回動軸（ピン型ロードセル）に作用する荷重の大きさ及び方向を高精度に検出可能な荷重検出装置を備えたため、いかなる場合においても、アタッチメント１２３に作用する荷重の大きさ及び方向を高精度に検出することができる。 In addition, as described above, the work machine according to the present embodiment can accurately measure the magnitude and direction of the load acting on the rotating shaft (pin type load cell) even when the acting direction of the load changes from moment to moment. Therefore, in any case, the magnitude and direction of the load acting on the attachment 123 can be detected with high accuracy.
アタッチメント１２３に加わる荷重Ｆ１２３はピン型ロードセルの検出値より（１）式及び（２）式を用いて算出されるが、このとき、２つのピン型ロードセルの出力値を合成するため、それぞれの出力値Ｆ１４２ｘ、Ｆ１４２ｙ、Ｆ１４４ｘ、Ｆ１４４ｙに含まれる誤差の正負によっては算出される荷重値の誤差がピン型ロードセルで発生する誤差よりも大きくなる。つまり、２軸ピン型ロードセル４ａ、４ｂに求められる計測精度は、アタッチメント荷重計測に要求される精度よりも高い。一方、図８に示した従来例のピン型ロードセルでは、荷重作用方向が変化した場合にピン型ロードセルの出力値が大きな誤差を含み、作業機械１のアタッチメント１２３の荷重計測に適用した場合には、アタッチメント１２３に作用する荷重は姿勢や作業によって時々刻々と変化するため、作業中にアタッチメント荷重を正確に計測することができない。一方、本実施の形態に示すような、荷重作用方向がいかなる場合においてもピンに作用する荷重の大きさ及び方向を高精度に検出可能なピン型ロードセル４を用いて荷重計測装置を構成した場合には、荷重の作用方向によらず、アタッチメント１２３に作用する荷重を高精度に計測することが可能となり、作業者あるいは作業管理者が作業機械の状態を正確に把握することできる。これにより、作業及び作業管理の効率向上が期待できる。 The load F 123 applied to the attachment 123 is calculated from the detected value of the pin type load cell using the equations (1) and (2). At this time, in order to synthesize the output values of the two pin type load cells, Depending on the sign of the error included in the output values F 142x , F 142y , F 144x , and F 144y , the error of the calculated load value is larger than the error generated in the pin type load cell. That is, the measurement accuracy required for the biaxial pin type load cells 4a and 4b is higher than the accuracy required for the attachment load measurement. On the other hand, in the conventional pin type load cell shown in FIG. 8, when the load acting direction changes, the output value of the pin type load cell includes a large error, and when applied to the load measurement of the attachment 123 of the work machine 1 Since the load acting on the attachment 123 changes every moment depending on the posture and work, the attachment load cannot be accurately measured during the work. On the other hand, when the load measuring device is configured by using the pin type load cell 4 capable of detecting the magnitude and direction of the load acting on the pin regardless of the load acting direction as shown in the present embodiment. Therefore, it is possible to measure the load acting on the attachment 123 with high accuracy regardless of the direction of the load, and the worker or the work manager can accurately grasp the state of the work machine. Thereby, the improvement of the efficiency of work and work management can be expected.
以下、本発明に係る２軸ピン型ロードセル及びこれを備える作業機械の他の実施形態を列挙する。 Hereinafter, other embodiments of the biaxial pin type load cell according to the present invention and a working machine including the same are listed.
上記の実施形態では、歪検出部材２０としてピン穴２の壁面に歪センサを備えたが、せん断歪検出部材２０は、せん断変形発生部１Ａ、１Ｂに発生する歪を検出できれば良く、図１６に示すように、ピン本体１の外周に形成された凹部内に歪センサ２０１〜２０４、２１１〜２１４を備えても良いし、図１７に示すように、ピン穴２内に歪検出ブロック２２０を挿入し、当該検出ブロック２２０の表面に歪センサ２０１〜２０４、２１１〜２１４を備えても良い。いずれの場合においても、歪センサの配置方法及び荷重算出部３０における荷重算出方法は上記の実施の形態と同様とすれば良い。 In the above embodiment, the strain sensor is provided on the wall surface of the pin hole 2 as the strain detection member 20, but the shear strain detection member 20 only needs to be able to detect the strain generated in the shear deformation generating portions 1A and 1B. As shown in the figure, strain sensors 201-204, 211-214 may be provided in recesses formed on the outer periphery of the pin body 1, and a strain detection block 220 is inserted into the pin hole 2 as shown in FIG. In addition, strain sensors 201 to 204 and 211 to 214 may be provided on the surface of the detection block 220. In either case, the strain sensor placement method and the load calculation method in the load calculation unit 30 may be the same as those in the above embodiment.
上記の実施形態では、ピン型ロードセル４の歪検出部材２０として、各せん断歪発生部に検出方向の異なる複数の歪センサから構成される歪センサ組を周方向に２対４組設ける例を示したが、２対４組はピン１に加わる２軸方向の荷重を検出するための最小構成であり、さらに多くのセンサ対を備えても良い。センサ対が多い場合には、荷重算出部３０において、非対称な断面変形の影響が比較的小さい２対を選択した上で、上述の荷重算出演算を行えばよい。センサ対を多く配置することによって、非対称な断面変形の影響のより小さいセンサを用いて荷重を算出することが可能となり、荷重算出のさらなる高精度化が可能である。 In the above embodiment, as the strain detection member 20 of the pin type load cell 4, an example is shown in which two pairs of strain sensors each composed of a plurality of strain sensors having different detection directions are provided in each shear strain generation portion in the circumferential direction. However, the 2 to 4 sets are the minimum configuration for detecting the load in the biaxial direction applied to the pin 1, and more sensor pairs may be provided. When there are a large number of sensor pairs, the load calculation unit 30 may perform the above-described load calculation calculation after selecting two pairs that are relatively small in the influence of asymmetric cross-sectional deformation. By arranging a large number of sensor pairs, it is possible to calculate the load using a sensor having a smaller influence of asymmetrical cross-sectional deformation, and it is possible to further increase the accuracy of the load calculation.
上記の実施形態では、ピン型ロードセル４の歪検出部材２０を構成する歪センサ組を、歪検出部１Ａ、１Ｂのそれぞれについて、ピン本体１の軸方向の歪を検出する歪センサ（２０１ｂ、２０２ｂ、２０３ｂ、２０４ｂ）、（２１１ｂ、２１２ｂ、２１３ｂ、２１４ｂ）と、ピン本体１の軸方向に対して４５°方向の歪を検出する歪センサ（２０１ａ、２０２ａ、２０３ａ、２０４ａ）、（２１１ａ、２１２ａ、２１３ａ、２１４ａ）の組み合わせから構成したが、これは歪センサ組を最少の歪センサ（２つ）から構成する際の最良の組合せであって、２つの歪センサの組み合わせは、これに限定されるものではない。例えば、図１８に示すように、ピン本体１の周方向の歪を検出する歪センサ（２０１ｃ、２０２ｃ、２０３ｃ、２０４ｃ）、（２１１ｃ、２１２ｃ、２１３ｃ、２１４ｃ）と、ピン本体１の軸方向に対して４５°方向の歪を検出する歪センサ（２０１ａ、２０２ａ、２０３ａ、２０４ａ）、（２１１ａ、２１２ａ、２１３ａ、２１４ａ）の組み合わせから構成することもできる。なお、歪センサ組は２方向以上の歪を検出できるように構成すれば良く、歪センサの検出方向は、上述の構成に限定されることなく、自由に決定することができる。歪センサの検出方向が異なる場合においても、荷重算出部３０における荷重算出方法は上記の実施の形態と同様とすれば良い。 In the above-described embodiment, the strain sensors (201b, 202b) that detect the strain in the axial direction of the pin body 1 for each of the strain detection units 1A, 1B are used as the strain sensor set that constitutes the strain detection member 20 of the pin type load cell 4. , 203b, 204b), (211b, 212b, 213b, 214b), and strain sensors (201a, 202a, 203a, 204a), (211a, 212a) that detect strain in a 45 ° direction with respect to the axial direction of the pin body 1. 213a, 214a), this is the best combination when the strain sensor set is composed of the minimum number of strain sensors (two), and the combination of the two strain sensors is limited to this. It is not something. For example, as shown in FIG. 18, strain sensors (201 c, 202 c, 203 c, 204 c) and (211 c, 212 c, 213 c, 214 c) that detect strain in the circumferential direction of the pin body 1, and the axial direction of the pin body 1 On the other hand, it can also be composed of a combination of strain sensors (201a, 202a, 203a, 204a) and (211a, 212a, 213a, 214a) that detect strains in the 45 ° direction. Note that the strain sensor group may be configured to detect strains in two or more directions, and the detection direction of the strain sensor is not limited to the above-described configuration and can be freely determined. Even when the detection direction of the strain sensor is different, the load calculation method in the load calculation unit 30 may be the same as in the above embodiment.
上記の実施形態では、ピン型ロードセル４の歪検出部材２０を構成する歪センサ組が、各設置位置における２方向の歪を検出する例を示したが、これは、ピンの非対称な断面変形の影響を除去し、荷重方向によらず高精度な荷重計測を行うための最小構成であり、より多くの方向の歪を検出するように構成しても良い。例えば、図１９に示すように、各設置位置における３方向の歪を検出するように歪センサ組を構成することが考えられる。このように構成することによって、各設置位置におけるあらゆる方向の歪を算出することが可能となり、荷重算出のさらなる高精度化が可能である。 In the above-described embodiment, an example in which the strain sensor set constituting the strain detection member 20 of the pin type load cell 4 detects strain in two directions at each installation position has been shown. This is a minimum configuration for removing the influence and performing highly accurate load measurement regardless of the load direction, and may be configured to detect strain in more directions. For example, as shown in FIG. 19, it is conceivable to configure a strain sensor set so as to detect strain in three directions at each installation position. With this configuration, it is possible to calculate strains in all directions at each installation position, and further increase the accuracy of load calculation.
また、上記の実施形態では、歪センサ組を構成する２つの歪センサを対向に配置する構成としたが、図２０（ａ）、（ｂ）に示すように、２つの歪センサを同一面の同一位置に互いに直交するように配置しても良い。この場合には、各せん断歪発生部の周方向に、上述の歪センサ組を２組以上設ければ良い。また、ピン本体１に加わる曲げ等の影響が少ない場合には、歪センサ組を対向面に設ける、あるいは、同一面の同一位置に歪センサ組を互いに直交するように配置することなく、図２１に示すように、検出方向の異なる複数の歪センサから構成される歪センサ組を周方向に２組設けるように構成することもできる。このように構成することにより、歪センサ組設置位置を減少させることが可能であり、より簡易に製作することが可能である。さらに、上記の実施形態では、ピン型ロードセル４の歪検出部材２０を構成する歪センサ組を、ピン本体１の軸方向に対して４５°方向の歪を検出する歪センサ（２０１ａ、２０２ａ、２０３ａ、２０４ａ）、（２１１ａ、２１２ａ、２１３ａ、２１４ａ）と、ピン本体１の軸方向の歪を検出する歪センサ（２０１ｂ、２０２ｂ、２０３ｂ、２０４ｂ）、（２１１ｂ、２１２ｂ、２１３ｂ、２１４ｂ）又はピン本体１の周方向の歪を検出する歪センサ（２０１ｃ、２０２ｃ、２０３ｃ、２０４ｃ）、（２１１ｃ、２１２ｃ、２１３ｃ、２１４ｃ）とから構成したが、各歪センサは、必ずしもこれらの方向の歪を検出しなくてはならないものではなく、図２２に示すように、ピン本体１の軸方向に対して４５°方向、ピン本体１の軸方向及びピン本体１の周方向から偏倚した方向に配置してもよい。 In the above embodiment, the two strain sensors constituting the strain sensor set are arranged to face each other. However, as shown in FIGS. 20A and 20B, the two strain sensors are arranged on the same surface. You may arrange | position so that it may mutually orthogonally cross in the same position. In this case, two or more sets of strain sensors described above may be provided in the circumferential direction of each shear strain generating portion. Further, when the influence of bending or the like applied to the pin body 1 is small, the strain sensor set is not provided on the opposing surface, or the strain sensor sets are not arranged at the same position on the same surface so as to be orthogonal to each other. As shown in FIG. 2, it is also possible to provide two sets of strain sensors composed of a plurality of strain sensors having different detection directions in the circumferential direction. By comprising in this way, it is possible to reduce a strain sensor group installation position, and it can manufacture more simply. Furthermore, in the above-described embodiment, the strain sensor set constituting the strain detection member 20 of the pin type load cell 4 is replaced with a strain sensor (201a, 202a, 203a) that detects a strain in a 45 ° direction with respect to the axial direction of the pin body 1. 204a), (211a, 212a, 213a, 214a) and strain sensors (201b, 202b, 203b, 204b), (211b, 212b, 213b, 214b) or pin body for detecting axial strain of the pin body 1 1 strain sensors (201c, 202c, 203c, 204c) and (211c, 212c, 213c, 214c) that detect strain in one circumferential direction, but each strain sensor does not necessarily detect strain in these directions. As shown in FIG. 22, the direction is 45 ° with respect to the axial direction of the pin body 1, the axial direction of the pin body 1, and the pin You may arrange | position in the direction deviated from the circumferential direction of the main body 1.
また、上記の実施形態では、姿勢検出手段として、ブーム角度センサ１４０ａと、アーム角度センサ１４１ａと、アタッチメント角度センサ１４２ａとを備える例を示したが、各回動軸に角度センサを設ける代わりに、アタッチメント１２３の水平面に対する絶対角度を検出する他の装置を用いても良い。例えば、ブームシリンダ、アームシリンダ、アタッチメントシリンダに、それぞれの伸縮を計測するストロークセンサを設ける例や、アタッチメント１２３に傾斜角を検出する傾斜角センサを設ける例が考えられる。このような構成にすることによって、回動軸に角度センサを設けるのが困難な場合においても、アタッチメント１２３の姿勢情報を得ることができる。さらに、上記の実施形態では、油圧ショベルを例にとって説明したが、本発明の要旨はこれに限定されるものではなく、ブルドーザ、ロードローラ、ホイールローダ、ダンプトラック、クレーンなどの他の作業機械にも適用できる。 In the above-described embodiment, an example is shown in which the boom angle sensor 140a, the arm angle sensor 141a, and the attachment angle sensor 142a are provided as the posture detection means. However, instead of providing an angle sensor for each rotation shaft, an attachment is provided. Other devices that detect the absolute angle of 123 with respect to the horizontal plane may be used. For example, an example in which a stroke sensor that measures expansion and contraction of each boom cylinder, arm cylinder, and attachment cylinder is provided, and an example in which an inclination angle sensor that detects an inclination angle is provided in the attachment 123 are conceivable. With such a configuration, the posture information of the attachment 123 can be obtained even when it is difficult to provide an angle sensor on the rotating shaft. Furthermore, in the above embodiment, the description has been given by taking the hydraulic excavator as an example. However, the gist of the present invention is not limited to this, and other working machines such as a bulldozer, a road roller, a wheel loader, a dump truck, and a crane are used. Is also applicable.
また、上記の実施形態では、ピン型ロードセル４を用いてアタッチメント１２３に作用する荷重の大きさ及び方向を検出する場合を例にとって説明したが、本発明の要旨はこれに限定されるものではなく、例えば上部作業体１０６とブーム１１０の連結部又はブーム１１０とアーム１１２の連結部など、他の部位に作用する荷重の大きさ及び方向をピン型ロードセルを用いて検出することも、勿論可能である。 In the above embodiment, the case where the pin load cell 4 is used to detect the magnitude and direction of the load acting on the attachment 123 has been described as an example, but the gist of the present invention is not limited thereto. For example, it is of course possible to detect the magnitude and direction of the load acting on other parts such as the connecting part of the upper working body 106 and the boom 110 or the connecting part of the boom 110 and the arm 112 using a pin type load cell. is there.
また、上記の実施形態では、ピン型ロードセル４を作業機械のアタッチメント荷重計測に用いる例を示したが、本発明のピン型ロードセル４は、単に作業機械に適用できるだけでなく、機械一般の荷重検出に広く適用することができる。 In the above embodiment, an example in which the pin type load cell 4 is used for measuring an attachment load of a work machine has been described. However, the pin type load cell 4 of the present invention can be applied not only to a work machine but also to load detection in general machines. Can be widely applied to.
なお、本発明は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記の実施の形態は、本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明したすべての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施の形態の構成の一部を他の実施の形態の構成に置き換えることが可能であり、ある実施の形態の構成に他の実施の形態の構成を加えることも可能である。さらに、各実施の形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。 In addition, this invention is not limited to above-described embodiment, Various modifications are included. For example, the above embodiment has been described in detail for easy understanding of the present invention, and is not necessarily limited to the one having all the configurations described. In addition, part of the configuration of one embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment, and the configuration of another embodiment can be added to the configuration of one embodiment. Furthermore, it is possible to add, delete, and replace other configurations for a part of the configuration of each embodiment.
１…ピン本体、１Ａ、１Ｂ…せん断変形発生部、１Ｃ…荷重点、１Ｄ…支持点、１Ｅ…計測点、２…ピン穴、４、４ａ、４ｂ…ピン型ロードセル、２０…せん断歪検出部材、３０…荷重算出部、１００…作業機械、１０２…下部走行体、１０３…上部作業体、１０６…作業装置、１１０…ブーム、１１２…アーム、１１２ａ…傾斜角センサ、１１５…アタッチメントシリンダ、１１６…第１リンク、１１７…第２リンク、１１８…リンク機構、１２３…アタッチメント、１２３ａ…傾斜角センサ、１４０…回動軸、１４０ａ…ブーム角度センサ、１４１…回動軸、１４１ａ…角度センサ、１４２…回動軸（アーム側ピン）、１４２ａ…アタッチメント角度センサ、１４４…回動軸（リンク側ピン）、１４５…回動軸、１４６…回動軸、１５０…荷重計測装置、１６０…演算装置、１６１…表示装置、２００…歪センサ、２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃ、２０２ａ、２０２ｂ、２０２ｃ、２０３ａ、２０３ｂ、２０３ｃ、２０４ａ、２０４ｂ、２０４ｃ…歪センサ、２０１、２０２、２０３、２０４、２１１、２１２、２１３、２１４…歪センサ組 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Pin main body, 1A, 1B ... Shear deformation generating part, 1C ... Load point, 1D ... Supporting point, 1E ... Measurement point, 2 ... Pin hole 4, 4a, 4b ... Pin type load cell, 20 ... Shear strain detection member , 30 ... Load calculation unit, 100 ... Working machine, 102 ... Lower traveling body, 103 ... Upper working body, 106 ... Working device, 110 ... Boom, 112 ... Arm, 112a ... Inclination angle sensor, 115 ... Attachment cylinder, 116 ... 1st link, 117 ... 2nd link, 118 ... Link mechanism, 123 ... Attachment, 123a ... Inclination angle sensor, 140 ... Rotating shaft, 140a ... Boom angle sensor, 141 ... Rotating shaft, 141a ... Angle sensor, 142 ... Rotating shaft (arm side pin), 142a ... Attachment angle sensor, 144 ... Rotating shaft (link side pin), 145 ... Rotating shaft, 146 ... Rotating shaft, 150 Load measuring device, 160 ... arithmetic device, 161 ... display device, 200 ... strain sensor, 201a, 201b, 201c, 202a, 202b, 202c, 203a, 203b, 203c, 204a, 204b, 204c ... strain sensor, 201, 202, 203, 204, 211, 212, 213, 214 ... Strain sensor set
Claims (6)
前記歪検出部材は、歪検出方向が異なる２個以上の歪センサの組をもって構成し、前記ピン本体の周方向に２組以上設置することを特徴とするピン型ロードセル。 A pin body, a strain detection member installed on the pin body, and a load calculation unit that calculates the magnitude and direction of the load acting on the pin body from the detection signal of the strain detection member,
2. The pin type load cell according to claim 1, wherein the strain detection member comprises a set of two or more strain sensors having different strain detection directions, and two or more sets are installed in the circumferential direction of the pin body.
前記荷重算出部は、前記歪センサの検出値から各歪検出方向の荷重算出値を算出すると共に、算出された各歪検出方向の荷重算出値と、荷重算出値間の相関情報を用いて、前記算出された各歪検出方向の荷重算出値に含まれる計測誤差を除去した荷重値を算出することを特徴とするピン型ロードセル。 The pin type load cell according to claim 1,
The load calculation unit calculates a load calculation value in each strain detection direction from the detection value of the strain sensor, and uses the calculated load calculation value in each strain detection direction and correlation information between the load calculation values, A pin type load cell that calculates a load value from which a measurement error included in the calculated load calculation value in each strain detection direction is removed.
前記歪検出部材は、前記ピン本体の外周、又は、前記ピン本体の軸方向に設けられたピン穴の壁面、若しくは、前記ピン穴内に挿入する歪検出棒のいずれかに設置することを特徴とするピン型ロードセル。 The pin type load cell according to claim 1,
The strain detection member is installed on either the outer periphery of the pin main body, the wall surface of a pin hole provided in the axial direction of the pin main body, or a strain detection rod inserted into the pin hole. Pin type load cell.
前記歪検出部材は、前記歪センサの設置箇所におけるせん断方向の歪を検出する歪センサと前記ピン本体の軸方向の歪を検出する歪センサの組、又は、前記歪センサの設置箇所におけるせん断方向の歪を検出する歪センサと前記ピン本体の周方向の歪を検出する歪センサの組、若しくは、前記歪センサの設置箇所におけるせん断方向の歪を検出する歪センサと前記ピン本体の軸方向の歪を検出する歪センサと前記ピン本体の周方向の歪を検出する歪センサの組のいずれかを備えることを特徴とするピン型ロードセル。 The pin type load cell according to claim 1,
The strain detection member is a set of a strain sensor that detects strain in the shear direction at the installation location of the strain sensor and a strain sensor that detects axial strain of the pin body, or a shear direction at the installation location of the strain sensor. A set of a strain sensor for detecting the strain of the pin body and a strain sensor for detecting the strain in the circumferential direction of the pin body, or a strain sensor for detecting a strain in the shear direction at the installation location of the strain sensor and the axial direction of the pin body A pin-type load cell comprising: a strain sensor that detects strain; and a strain sensor that detects strain in a circumferential direction of the pin body.
前記ピン本体の周方向に設置される前記歪センサの組を互いに直交する位置に備えることを特徴とするピン型ロードセル。 The pin type load cell according to claim 1,
A pin-type load cell comprising the set of strain sensors installed in the circumferential direction of the pin body at a position orthogonal to each other.
前記ピン型ロードセルは、ピン本体と、前記ピン本体に設置した歪検出部材と、前記歪検出部材の検出信号から前記ピン本体に作用する荷重の大きさと作用方向を算出する荷重算出部を備え、前記歪検出部材は、歪検出方向が異なる２個以上の歪センサの組をもって構成し、前記ピン本体の周方向に２組以上設置することを特徴とする作業機械。 A mechanism member connected to each other via a pin type load cell, a mechanism member driving unit for rotating the mechanism member to execute a required operation, and a connection of the mechanism member from a detection signal of the pin type load cell. In a work machine comprising a computing device that computes the magnitude and direction of a load acting on a section, and a display device that displays the computation results of the computing device,
The pin type load cell includes a pin main body, a strain detection member installed on the pin main body, and a load calculation unit that calculates the magnitude and direction of the load acting on the pin main body from the detection signal of the strain detection member, 2. The working machine according to claim 1, wherein the strain detection member is composed of a set of two or more strain sensors having different strain detection directions, and two or more sets are installed in the circumferential direction of the pin body.
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