JP2017037046A - Torque calibration device using electromagnetic force and torque calibration method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、トルク計測機器を校正するための校正装置及び校正方法に関し、精密機器分野・計測機器分野・医療機器分野など、トルクを微少な値に、しかも厳格に管理しなければならない分野で用いられているトルク計測機器を校正するためのトルク校正装置及び校正方法に関する。 The present invention relates to a calibration apparatus and a calibration method for calibrating a torque measuring instrument, and is used in fields where the torque must be controlled to a minute value and strictly, such as the precision instrument field, the measuring instrument field, and the medical instrument field. The present invention relates to a torque calibration device and a calibration method for calibrating a torque measuring device.
従来、トルク計測機器の校正(または試験)は、レバーの先端に重力を負荷することにより発生するトルクとの比較によって行う重力方式が一般的である。
重力方式は、現在最も高度なトルクを実現できる有効な方式であり、産業技術総合研究所計量標準総合センター(NMIJ)をはじめ、ドイツ・フランス・中国・韓国など各国家計量研(NMI)で、トルクの国家標準を実現する方法として採用されている。
Conventionally, calibration (or testing) of a torque measuring device is generally performed by a gravity method by comparing with torque generated by applying gravity to the tip of a lever.
Gravity method is an effective method that can realize the most advanced torque at present, including National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (NMIJ), National Metrology Institute (NMI) such as Germany, France, China and Korea. It is adopted as a method to realize the national standard of torque.
特許文献1には、レバーの先端に重錘を付加することによって発生させたトルクを利用してトルク校正を行う際、長周期のゆれが発生した場合、トルク校正を中断することが記載されている。
非特許文献1には,ドイツNMIにより開発された、1 mN・m 〜10 mN・m の微小トルクの校正を可能にした実荷重式トルク標準器について記載されており、現在、これが最も精度の高いトルク標準器とされている。
Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-228561 describes that torque calibration is interrupted when a long-period fluctuation occurs when torque calibration is performed using the torque generated by adding a weight to the tip of the lever. Yes.
Non-Patent Document 1 describes an actual load type torque standard developed by German NMI that enables calibration of minute torque of 1 mN · m to 10 mN · m, which is currently the most accurate. It is regarded as a high torque standard.
例えば、精密機器、微小機器を製造する際、さらには、インプラントを埋め込む際に、規定締め付けトルク値はきわめて微小であり、しかも、厳格に維持管理することが求められている。
しかし、この重力による方法では、載荷するおもりの質量を小さくしたり、レバーの長さを短くすることには、製作精度上限界があり、さらに、各レバーの支点部に作用する摩擦力の影響や、空気の流れ、緯度の相違に基づく重力加速度の影響等を受ける。非特許文献1には、実荷重式によりトルク値1 mN・m 〜10 mN・m の校正を0.1%の不確かさで実現することが記載されているが、トルク標準器としては不確かさが十分ではなく、実荷重式では、1 mN・m 未満の微小トルクを正確に校正することは非常に困難である。
For example, when manufacturing precision equipment and micro equipment, and also when implanting an implant, the prescribed tightening torque value is extremely small, and it is required to strictly maintain and manage it.
However, with this gravity method, there is a limit in manufacturing accuracy in reducing the weight of the loaded weight or shortening the length of the lever, and further, the influence of the frictional force acting on the fulcrum of each lever. And the influence of gravitational acceleration based on differences in air flow and latitude. Non-Patent Document 1 describes that calibration of torque values of 1 mN · m to 10 mN · m can be realized with an uncertainty of 0.1% using the actual load formula, but the uncertainty is sufficient as a torque standard. However, it is very difficult to accurately calibrate a small torque of less than 1 mN · m with the actual load type.
一方、現在日本国内で提案されているトルクのSIトレーサビリティ体系では、NMIJが保有する重力方式のトルク標準機(実荷重式トルク標準機)と、第一階層の校正事業者が採用しているトルク校正装置間で比較をすることが必要であるが、各装置の構造、重量、そしてトルク発生の原理上、わずかな振動が精度に影響を及ぼすため、トルク校正装置を安易に運搬し、移設することができない。
このため、仲介器(トルク計測機器)を使用せざるを得ず、必然的に使用した仲介器の性能に結果が大きく影響されてしまうため、仲介器の影響が及ばない、新たな校正装置及び校正方法が求められている。
On the other hand, in the torque SI traceability system currently proposed in Japan, the torque standard machine of gravity method (actual load type torque standard machine) possessed by NMIJ and the torque adopted by the calibration operators at the first level Although it is necessary to make a comparison between calibration devices, because of the principle of each device's structure, weight, and torque generation, slight vibrations affect accuracy, so the torque calibration device can be easily transported and relocated. I can't.
For this reason, an intermediary device (torque measurement device) must be used, and the result is inevitably influenced greatly by the performance of the used intermediary device. There is a need for a calibration method.
そこで、こうした課題を克服するため、本発明の目的は、従来の実荷重式に代え、電磁力によって発生するトルクを利用することで、微小トルクに対しても高精度の校正(または試験)を可能にするとともに、トルク校正装置本体のコンパクト化、運搬・設置の容易化を実現し、トルクの国家標準レベルでの校正(または試験)を製造現場等でも行えるようにすることにある。 Therefore, in order to overcome these problems, the object of the present invention is to perform highly accurate calibration (or test) even for minute torque by using torque generated by electromagnetic force instead of the conventional actual load type. It is also possible to make the torque calibration device main body compact and facilitate transportation and installation so that calibration (or testing) at the national standard level of torque can be performed at the manufacturing site.
上記の課題を解決するため、本発明のトルク校正装置は、磁束密度Bの磁場を形成する異極対向型磁気回路と、この異極対向型磁気回路に設置されたコイルと、コイルを回転角速度ωで回転させるとともに、特定の角度位置で静止させるモータと、コイルの回転角度位置p及び回転角速度ωを検出するロータリエンコーダと、コイルを回転角速度ωで回転させたときにコイルに発生する誘導起電力Vを計測する電圧計と、誘導起電力Vの最大値Vmaxとその時の角度位置p0を記録するメモリと、校正対象のトルク変換器を接続した状態でコイルに電流Iを流し、コイルに発生するトルクに抗して角度位置p0に静止させる制御装置を備え、そのときのモータの出力トルクを校正対象のトルク変換器に入力するようにした。 In order to solve the above problems, a torque calibrating device according to the present invention includes a different pole facing magnetic circuit that forms a magnetic field having a magnetic flux density B, a coil installed in the opposite pole facing magnetic circuit, and a rotational angular velocity of the coil. A motor that rotates at ω and stops at a specific angular position, a rotary encoder that detects the rotational angle position p and the rotational angular velocity ω of the coil, and induction that occurs in the coil when the coil is rotated at the rotational angular velocity ω. A voltmeter for measuring the electric power V, a memory for recording the maximum value V max of the induced electromotive force V and the angular position p 0 at that time, and a torque transducer to be calibrated are connected to the coil to pass the current I. And a control device that stops the motor at the angular position p 0 against the torque generated at the time, and the output torque of the motor at that time is input to the torque converter to be calibrated.
本発明によれば、従来の実荷重式の校正装置と比較して、次のような効果を達成できる。
(1)微小トルクを高い精度で再現できる。
(2)軽量化、コンパクト化、低コスト化が可能となる。
(3)緯度に応じた重力加速度の評価が不要である。
(4)搬送により機構的なダメージを受けにくく、仮に受けたとしても、搬送後の再評価(磁気回路の磁束密度とコイルの形状)が容易である。
(5)このため、製造現場等でも容易にトルクの一次標準を実現できる。
(6)新しいトルクのSIトレーサビリティ体系を構築することで、新たなトルク計測機器の開発を促進できる。
According to the present invention, the following effects can be achieved as compared with a conventional actual load type calibration apparatus.
(1) A minute torque can be reproduced with high accuracy.
(2) Weight reduction, compactness, and cost reduction are possible.
(3) Evaluation of gravitational acceleration according to latitude is unnecessary.
(4) It is difficult to receive mechanical damage due to conveyance, and even if it is received, re-evaluation (magnetic flux density of the magnetic circuit and coil shape) after conveyance is easy.
(5) For this reason, the primary standard of torque can be easily realized even at the manufacturing site.
(6) By building a new torque SI traceability system, development of new torque measuring devices can be promoted.
まず、本発明の基本原理を説明する。
図1に示すように、磁束密度Bの鉛直上向きの一様な磁場内に、水平軸(O-O’)の周りに回転できる矩形のコイルC(長さL、高さh、O-O’に対して対称形状)を設置して電流Iを流すと、磁束密度と直行する2つの辺が磁場から受ける力Fは、
F=I・B・L、または、F=-I・B・L・・・・・・・・・・・・・・・・・・式(1)
となる。つまり、磁束密度と直行する2つの辺に働く力は、大きさが等しくて向きが逆であるので、偶力が生じる。
First, the basic principle of the present invention will be described.
As shown in FIG. 1, a rectangular coil C (length L, height h, O-O) that can rotate around a horizontal axis (O-O ') in a vertically upward uniform magnetic field with a magnetic flux density B When a current I is applied with a shape symmetrical to '), the force F received from the magnetic field by two sides perpendicular to the magnetic flux density is
F = I · B · L or F = -I · B · L · · · · · · · · · · · (1)
It becomes. In other words, the forces acting on the two sides perpendicular to the magnetic flux density are equal in magnitude and opposite in direction, so that a couple is generated.
図2は、矩形コイルCが磁力線の方向に対し、θ(以下、「角度位置」という。)傾斜している状態を示しており、このとき、コイルCに作用するトルクTは、
T=I・B・L・h・cosθ=I・B・A・cosθ ・・・・・・・・・・・・・・・式(2)
と表すことができる。
ここでA=L・h、すなわちAをコイルの面積とし、コイルCがN巻きのときは、
T=N・I・B・A・cosθ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・式(3)
となる。
式(3)より、トルクTの最大値Tmaxは、cosθ=1、すなわち、コイルCの面が、磁力線に対し平行となる。θ=nπ(n=0、1、2、3・・・・)のときに発生し、
Tmax=N・A・B・I ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・式(4)
となる。
FIG. 2 shows a state where the rectangular coil C is inclined by θ (hereinafter referred to as “angular position”) with respect to the direction of the lines of magnetic force. At this time, the torque T acting on the coil C is expressed as follows:
T = I · B · L · h · cosθ = I · B · A · cosθ · · · · · · · · · · · (2)
It can be expressed as.
Here, when A = L · h, that is, A is the area of the coil and the coil C has N turns,
T = N ・ I ・ B ・ A ・ cosθ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ Equation (3)
It becomes.
From Equation (3), the maximum value T max of the torque T is cos θ = 1, that is, the surface of the coil C is parallel to the magnetic field lines. Occurs when θ = nπ (n = 0, 1, 2, 3, ...)
T max = N ・ A ・ B ・ I ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ Equation (4)
It becomes.
トルクを高精度に実現するためには、式(4)右辺の各パラメータを高精度に設定あるいは計測することが求められる。
角度位置θや電流Iは比較的高精度に計測できるものの、コイルCの形状(巻数Nや面積A)や磁束密度Bを高い精度で計測することは極めて困難である。
そこで、磁束密度B、コイルCの面積A及び巻数Nを相殺するため、図3に示すように、同じ磁束密度Bの磁場中で、同じコイルCをモータMにより回転角速度ωで回転させた場合に生じる誘導起電力Vを予め計測しておく。
すなわち、トルクを発生する場合と同じ磁束密度Bの磁場中で、コイルCをモータMにより一定の回転角速度ω(π/s)で回転させることで、コイルCには誘導起電力Vが発生する。
コイルCの法線ベクトルが磁力線の方向と一致するときを原点(t=0)とすると、図4に示すように、t秒後、コイルCの法線が磁力線に対し角度ωtとなるとき、誘導起電力Vは、
V=N・A・B・ω・sinωt・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・式(5)
で表される。
In order to realize torque with high accuracy, it is required to set or measure each parameter on the right side of Equation (4) with high accuracy.
Although the angular position θ and the current I can be measured with relatively high accuracy, it is extremely difficult to measure the shape (number of turns N and area A) of the coil C and the magnetic flux density B with high accuracy.
Therefore, in order to cancel out the magnetic flux density B, the area A of the coil C, and the number of turns N, the same coil C is rotated by the motor M at the rotational angular velocity ω in the magnetic field of the same magnetic flux density B as shown in FIG. The induced electromotive force V generated in step 1 is measured in advance.
That is, when the coil C is rotated at a constant rotational angular velocity ω (π / s) by the motor M in a magnetic field having the same magnetic flux density B as when torque is generated, an induced electromotive force V is generated in the coil C. .
When the origin (t = 0) is when the normal vector of the coil C coincides with the direction of the magnetic field line, as shown in FIG. 4, when the normal line of the coil C becomes an angle ωt with respect to the magnetic field line after t seconds, as shown in FIG. The induced electromotive force V is
V = N ・ A ・ B ・ ω ・ sinωt ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ Equation (5)
It is represented by
ここで、誘導起電力Vの最大値(絶対値)Vmaxは、sinωt=1、やはり、コイルCの面が磁力線に対して平行となる、ωt=-n・π/2(n=0、1、2、3・・・)のときに発生し、
Vmax=N・A・B・ω・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・式(6)
となる。
これは、前述のように、磁束密度Bの磁場内にあるコイルCに電流Iを流したとき、発生するトルクが最大値であるTmaxとなるときと同じ角度位置である。
そこで、予め、磁束密度Bの中でコイルCをモータMにより様々な回転速度ωiで回転させ、回転速度毎に、最大誘導起電力Vmax_iと、そのときのコイルCの角度位置p0_iを記録する。
そして、横軸にωi、縦軸にVmax_iをとり、その傾きであるN・A・Bを近似式で求める。
なお、p0_iの平均値をp0/とする。
Here, the maximum value (absolute value) V max of the induced electromotive force V is sinωt = 1, and the surface of the coil C is parallel to the magnetic field lines, ωt = −n · π / 2 (n = 0, 1, 2, 3 ...)
V max = N ・ A ・ B ・ ω ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ Equation (6)
It becomes.
As described above, this is the same angular position as when the current I is passed through the coil C in the magnetic field of the magnetic flux density B and the generated torque becomes the maximum value T max .
Therefore, in advance, to rotate at different rotational speeds omega i by the motor M to the coil C in the magnetic flux density B, and each rotation speed, and the maximum induced electromotive force V Max_i, the angular position p 0 - i of the coil C at that time Record.
Then, ω i is taken on the horizontal axis and V max — i is taken on the vertical axis, and N · A · B which is the inclination is obtained by an approximate expression.
Note that the average value of p 0 — i is p 0 / .
次にモータMによって角度位置p0/にコイルを保持したまま、コイルCに電流Iを流す。
このとき、式(4)により、
Tmax/I=N・A・B・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・式(7)
そして、式(6)により、
Vmax/ω=N・A・B ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・式(8)
さらに、式(7)、(8)により、
Tmax・ω=Vmax・I ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・式(9)
となる。
Next, a current I is passed through the coil C while the coil is held at the angular position p 0 / by the motor M.
At this time, according to Equation (4),
T max / I = N ・ A ・ B ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ Equation (7)
And according to equation (6)
V max / ω = N ・ A ・ B ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ Equation (8)
Furthermore, according to equations (7) and (8),
T max · ω = V max · I ···································· Equation (9)
It becomes.
式(9)は、力学的仕事率と電気的仕事率が等しいことを示しており、N、A、Bがすべて消去され、Vmax(電圧値)、I(電流値)、ω(回転角速度)、そして、コイルCの位置決め精度により、Tmaxの精度を定めることができる。
例えば、電圧値、電流値については、±0.01V以下の精度を有する電圧計±0.001A以下の精度を有する電流計を採用し、回転角速度、角度位置については、分解能224counts per revolutionを有するモータ、262144カウント/1回転の分解能を有する光学式非接触型ロータリエンコーダを採用すれば、1 mN・m 未満の微小トルクに対しても、相対拡張不確かさを0.1%よりも小さくすることが可能である。この精度は、非特許文献1に記載された、現在最も高性能な実荷重式トルク標準機の不確かさを実現できることを示している。
なお、コイルCについては、アクリルで補強したボビンを使用しているため、変形等による影響は無視することができる。
実荷重式でトルクを定める場合は、現在不確かさが最も小さいドイツのNMIが開発をした実荷重式トルク標準機でも、相対値で10-5のオーダであるのに対し、本発明によれば、従来の実荷重式と比較して、不確かさを1/10にすることも可能である。
Equation (9) shows that the mechanical power and the electrical power are equal, and N, A, and B are all erased, and V max (voltage value), I (current value), ω (rotational angular velocity) ), And the accuracy of T max can be determined by the positioning accuracy of the coil C.
For example, for voltage and current values, a voltmeter with an accuracy of ± 0.01 V or less is adopted, and an ammeter with an accuracy of ± 0.001 A or less is adopted, and the rotational angular velocity and angular position have a resolution of 2 24 counts per revolution. If an optical non-contact rotary encoder with a resolution of 262144 counts / revolution is used, the relative expansion uncertainty can be reduced to less than 0.1% even for minute torques of less than 1 mN · m. It is. This accuracy indicates that the uncertainty of the current high-performance actual load type torque standard machine described in Non-Patent Document 1 can be realized.
In addition, about the coil C, since the bobbin reinforced with acrylic is used, the influence by a deformation | transformation etc. can be disregarded.
When the torque is determined by the actual load type, even the actual load type torque standard machine developed by the German NMI with the smallest uncertainty is on the order of 10 -5 relative value, but according to the present invention, Compared with the conventional actual load formula, the uncertainty can be reduced to 1/10.
具体的には、本発明では、予め、磁束密度Bの磁場の中で、モータMによりコイルCを回転角速度ωiで回転させ、発生する誘導起電力の最大値Vmax_iとその時の角度位置p0_iを繰り返し測定し、記録する。
回転角速度ωiを様々に変更して、以上の測定、記録を繰り返して、ωi、Vmax_iの関係を求め、その傾きを最小二乗法等により算出することで、式(6)に示すとおり、磁束密度BとコイルCの形状(巻き数N及び面積A)を評価することができる。また、どの回転角速度においても、Vmaxとなる角度位置は厳密には変わらないはずであり、p0_iの測定結果は正規分布になると考えられるので、精度向上の観点から、p0_iの平均値p0/を誘導起電力が最大となる角度位置とする。
Specifically, in the present invention, in advance, in a magnetic field having a magnetic flux density B, the motor M rotates the coil C in the rotational angular velocity omega i, the maximum value V Max_i the induced electromotive force generated with the angular position p at that time Measure and record 0_i repeatedly.
By changing the rotation angular velocity ω i in various ways and repeating the above measurement and recording, the relationship between ω i and V max — i is obtained, and the inclination is calculated by the least square method or the like, as shown in the equation (6). The magnetic flux density B and the shape of the coil C (the number N of turns and the area A) can be evaluated. Further, at any rotational angular velocity, the angular position where V max should not be strictly changed, and the measurement result of p 0_i is considered to be a normal distribution. Therefore, from the viewpoint of improving accuracy, the average value p 0_i Let 0 / be the angular position where the induced electromotive force is maximum.
次に、同じ磁束密度Bの磁場の中で、モータMによりコイルCの角度位置を平均値p0/に保持し、コイルCに電流Iを流すことで、
Tmax=I・Vmax/ω ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・式(10)
となる。
すなわち、あらかじめ評価されたVmax/ω(装置特有の定数)と、電流Iを計測することにより、Tmaxを特定することができ、このトルクを被校正対象に入力することで、被校正対象の校正が可能となる。
Next, in the magnetic field having the same magnetic flux density B, the motor M holds the angular position of the coil C at the average value p 0 /, and the current I is caused to flow through the coil C.
T max = I · V max / ω
It becomes.
That is, T max can be specified by measuring V max / ω (apparatus specific constant) evaluated in advance and the current I, and by inputting this torque to the calibration target, Can be calibrated.
上記の基本原理に基づく本発明の実施例を以下に説明する。
図5は、本実施例の全体構成を示すもので、(a)は側面図、(b)は正面図である。
リニアガイド1の最上部には、モータ2がL型治具により上下位置を調整可能に取り付けられており、カップリング3、空気軸受群4a〜4c、例えば、光学式非接触型ロータリエンコーダ等の高分解能のロータリエンコーダ5を介して、電流電圧計測装置本体6が連結されている。なお、空気軸受群4a〜4cもL型治具により上下位置を調整可能に取り付けられている。
図5では、モータ2の出力軸、カップリング3、そしてロータリエンコーダ5が互いに離隔した状態を示しているが、作動時は、モータ2、空気軸受群4a〜4cもL型治具のリニアガイド1上の位置を調整することにより互いに結合させる。
An embodiment of the present invention based on the above basic principle will be described below.
5A and 5B show the overall configuration of the present embodiment, where FIG. 5A is a side view and FIG. 5B is a front view.
A
FIG. 5 shows a state in which the output shaft of the
この実施例では、電流電圧計測装置本体6は略直方体あるいは立方体であり、その上面の中心点にロータリエンコーダ5の下面側から延びる軸が内部を貫通する態様で連結されている。電流電圧計測装置本体6の下方には、接続ターミナルT1、T2により、矩形コイル7が着脱可能に装着されている。
一方、リニアガイド1の最下方には、コの字状のヨーク8が固定されており、その内面に互い対向するように取り付けられた磁石9のN極とS極により、異極対向型磁気回路が形成され、その内部に矩形コイル7が挿入されている。なお磁石9は、永久磁石、電磁石のいずれでもよい。
In this embodiment, the current / voltage measuring device
On the other hand, a
制御用CPU10には、ロータリエンコーダ5からの検出信号がインターフェース11を介して入力され、電流電圧計測装置本体6で計測した電流値、電圧値が受信部12を介して入力されるようになっている。
制御用CPU10は、これらの検出値に基づいて、駆動回路13を介してモータ2を駆動し、矩形コイル7の回転速度、停止位置を制御する。
A detection signal from the
Based on these detection values, the
図6に示すように、電流電圧計測装置本体6の内壁面のうち、一面には、矩形コイル7に電流を供給するためのバッテリ14(本実施例の場合2個)が装着されており、その他の内壁面には、制御用CPU10、受信部12に送信を行う無線通信モジュール15、電流電圧計測部16がそれぞれ装着されている。
なお、電流電圧計測装置本体6の内部にバッテリ14を内蔵させることに代え、ロータリコネクタを介して外部電源を供給するようにしてもよい。いずれの場合でも、電流電圧計測装置本体6の回転に伴って、大きな偏心運動が発生しないよう、内蔵する機器の重量配分をバランスさせることが好ましい。
As shown in FIG. 6, a battery 14 (two in this embodiment) for supplying current to the
Instead of incorporating the
図7は本実施例の全体ブロック図を示しており、直列に接続されたバッテリ14のマイナス側がターミナルT1に、プラス側がスイッチS、電流電圧計測部16の電流制御部17を介してターミナルT2にそれぞれ接続され、スイッチSをオンにすることでコイル7に電流を供給する。また、電流電圧計測部16の電圧計測部18により、ターミナルT1―T2間の電圧が計測される。
電流制御部17が矩形コイル7に供給する電流値I、電圧計測部18の計測値Vは、無線通信モジュール15により受信部12に送信される。
FIG. 7 shows an overall block diagram of this embodiment. The negative side of the
The current value I supplied to the
誘導起電力Vの最大値Vmaxを計測する際は、制御用CPU10は、スイッチSをオフとした状態で、インターフェース11を介して入力されるロータリエンコーダ5からの検出信号に基づいて、駆動回路13を介してモータ2の回転速度を制御する。
一方、トルク変換器の校正を行う際は、スイッチSをオンにした上で、電流制御部17を介して、矩形コイル7に供給する電流値Iを制御するとともに、インターフェース11を介して入力される非接触型ロータリエンコーダ5からの検出信号に基づいて、駆動回路13を介してモータ2による静止位置制御を行う。
When measuring the maximum value V max of the induced electromotive force V, the
On the other hand, when the torque converter is calibrated, the switch S is turned on, and the current value I supplied to the
モータ2は、高精度な速度制御、位置決めが可能なモータ(サーボモータ又はステッピングモータ)であり、制御用CPU10からの命令を受け、224counts per revolutionの位置決め精度を有し、安定した速度を維持することができる。また、電流電圧計測装置本体6に設けられた誘導起電力を計測する電圧計、矩形コイル7に流れる電流を計測する電流計も±0.01V以下、±0.001Aの精度を有するものを用い、送受信部の分解能を加味しても、制御用CPU11には、±0.01V以下、±0.001Aの精度で、矩形コイル7の誘導起電力、コイル7に流れる電流が入力される。
The
図5に示すように、カップリング3と非接触型ロータリエンコーダ5との間に設けられた空気軸受群4a〜4cは、上面(カップリング3側)でスラスト方向の支持を行う空気軸受4a、両側面側でラジアル方向の支持を行う空気軸受4b、4cの計3個の空気軸受により構成されている。空気軸受4aでは、下方に取り付けられている非接触型ロータリエンコーダ5、電流電圧計測装置本体6そして矩形コイル7の重量を支え、トルク変換器22を取り付けた際に、トルク変換器22より下方の装置の重量が、トルク変換器22に作用するのを防ぐ。
As shown in FIG. 5, the
一方、空気軸受け4b、4cは、それぞれに供給される圧縮空気の流れが対向する向きに取り付けられており、本装置全体の回転中心を常時鉛直方向に維持し、回転精度を高めるものである。
これらの空気軸受群4a〜4cには、バルブ19a〜19c、スピードコントローラ20a〜20cを介して、エアマニホールド21からの圧縮空気が導入される。矩形コイル7を精密に決められた角度位置で保持するために、圧縮空気による回転力を互いに相殺して、静止状態を維持できるよう、自動又は手動によりスピードコントローラ20a〜20cにより流量を調整できるようにしている。
On the other hand, the
Compressed air from the
以下、本実施例によりトルク校正を行う際の手順について説明する。
まず、磁束密度Bと矩形コイルCの形状(巻き数N、面積A)を評価するため、駆動回路13は制御用CPU10からの命令を受け、モータ2により、ヨーク8及び磁石9により形成される磁束密度Bの磁場内で矩形コイル7を回転させ、発生する誘導起電力Vを電流電圧計測装置本体6内部の電圧計測部18により、そして、矩形コイルCの回転角速度ω、角度位置pをロータリエンコーダ5により取得して、制御用CPU10のメモリ内に記録する。
これを繰り返し、誘導起電力Vの最大値Vmax、最大値Vmaxが発生した角度位置p0を記録する。
Hereinafter, a procedure for performing torque calibration according to the present embodiment will be described.
First, in order to evaluate the magnetic flux density B and the shape (number of turns N, area A) of the rectangular coil C, the
This is repeated, and the maximum value V max of the induced electromotive force V and the angular position p 0 where the maximum value V max occurs are recorded.
回転角速度ωiを順次変化させ、繰り返すことで、回転角速度ωi毎にVmax_iとp0_iを求め、横軸を回転角速度ω、縦軸をVmaxとして、その傾き(=N・A・B)を最小二乗法等で求め、磁束密度Bと矩形コイルCの形状を評価する。
また、角度位置p0_iの平均値p0/も求めておく。
なお、以上の操作は予め磁気回路と矩形コイルの組み合わせ毎に1度行いメモリに記録しておけば、磁束密度や矩形コイルの形状変化がない限り、トルク変換器を校正するたびに行う必要はない。ただし、搬送を行うために一度分解した場合や、測定環境条件が悪く経時変化が予想される場合は、磁束密度BとコイルCの形状の再評価を行う必要がある。
The rotational angular velocity omega i is sequentially changed, by repeating, seeking V Max_i and p 0 - i for each rotational angular velocity omega i, rotating the horizontal axis angular velocity omega, the vertical axis V max, the slope (= N · A · B ) Is obtained by the least square method or the like, and the magnetic flux density B and the shape of the rectangular coil C are evaluated.
Further, an average value p 0 / of the angular position p 0 — i is also obtained.
If the above operation is performed once for each combination of the magnetic circuit and the rectangular coil and recorded in the memory, it is necessary to perform it every time the torque converter is calibrated unless there is a change in the magnetic flux density or the shape of the rectangular coil. Absent. However, if it is once disassembled for conveyance or if the measurement environment conditions are poor and a change with time is expected, it is necessary to re-evaluate the magnetic flux density B and the shape of the coil C.
次に、トルク校正の対象となるトルク変換器の校正を行う手順について説明する。
まず、図8に示すように、リニアガイド1上の位置を調整することで、カップリング3の下方に、校正対象であるトルク変換器22を介在させ、トルク変換器22と空気軸受群4a〜4cとの間を第2のカップリング23により連結する。このトルク変換器22は、トルク変換器用指示計器24を介して、制御用CPU10に接続されている。
Next, a procedure for calibrating a torque transducer to be torque calibrated will be described.
First, as shown in FIG. 8, by adjusting the position on the linear guide 1, a
制御用CPU10からの指令を受け、前述のように、矩形コイル7が磁束密度BとコイルCの形状を評価する手順により予め求めた角度位置p0_iの平均値p0/となるよう、モータ2を駆動し、その位置で停止させた状態で、矩形コイル7にバッテリ14から電流Iを供給すると、ヨーク8及び磁石9による異極対向型磁気回路により形成される磁場から、式(4)に示すトルクTが発生する。
このトルクTにより矩形コイル7が回転しようとするが、制御用CPU10は、ロータリエンコーダ5から入力される角度位置を、前述のように、磁束密度BとコイルCの形状を評価する手順により、予め求めた角度位置p0/で保持するようモータ2に指令を出す。
その際、矩形コイル7の角度位置がp0/からオーバーシュートしないように、段階的にモータ2の速度を低減できるような制御を行う。
In response to the command from the
Although the
At this time, control is performed so that the speed of the
トルク変換器22を介して、モータ2により矩形コイル7の角度位置をp0/に保持できた(つりあった)とき、トルク変換器22は、矩形コイル7で発生しているトルクTmaxによりねじられていることとなる。従って、矩形コイル7に流れる電流Iを計測し、先述のVmaxとωとの関係から求められた、磁束密度Bと矩形コイル7の形状の関係から、式(10)よりTmaxが求められ、求めたTmaxとトルク変換器22の出力値Sとの対応により、トルク計測機器の校正を行うことができる。
When the angular position of the
以上の実施例では、モータ2、カップリング3、空気軸受群4a〜4c、高分解能の光学式非接触型ロータリエンコーダ5、電流電圧計測装置本体6を上下方向のリニアガイド1に沿って配列したが、これらを水平方向のリニアガイド1に沿って配列するようにしてもよい。
また、2個のバッテリ14を電流電圧計測装置本体6の内部に収納したが、1個あるいは3個以上としてもよく、ロータコネクタを用いて外部電源を供給するようにしてもよい。
電流電圧計測装置本体6を円筒体としてもよいし、コイルの形状も矩形に限られるものではない。
In the above embodiment, the
In addition, although the two
The current / voltage
以上説明したように、本発明によれば、コイルの形状や異極対向型磁気回路により発生する磁場密度にかかわりなく、磁場内のコイルに電流を流すことで、微小トルクでも精度高く再現できるので、トルク校正装置の軽量化、コンパクト化、低コスト化が可能となる。
しかも、振動や衝撃にも大きな影響を受けないので、製造現場等でも容易にトルクの一次標準を実現できるので、トルク校正装置として広く採用されることが期待できる。
As described above, according to the present invention, it is possible to accurately reproduce even a small torque by flowing a current through a coil in a magnetic field regardless of the shape of the coil and the magnetic field density generated by the opposite-polarity opposed magnetic circuit. The torque calibration device can be reduced in weight, size and cost.
In addition, since it is not greatly affected by vibrations and shocks, the primary standard of torque can be easily realized even at the manufacturing site and the like, so that it can be expected to be widely adopted as a torque calibration device.
1:リニアガイド 2:モータ
3:(第一の)カップリング 4a〜4c:空気軸受群
5:ロータリエンコーダ 6:電流電圧計測装置本体
7:矩形コイル 8:ヨーク
9:磁石 10:制御用CPU
11:インターフェース 12:受信部
13:駆動回路 14:バッテリ
15:無線通信モジュール 16:電流電圧計測部
17:電流制御部 18:電圧計測部
19a〜19c:バルブ 20a〜20c:スピードコントローラ
21:エアマニホールド 22:トルク変換器
23:(第2の)カップリング 24:トルク変換器用指示計器
1: Linear guide 2: Motor 3: (First)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11: Interface 12: Reception part 13: Drive circuit 14: Battery 15: Wireless communication module 16: Current voltage measurement part 17: Current control part 18:
Claims (5)
前記異極対向型磁気回路の内部に挿入されたコイルと、
前記コイルを回転角速度ωで回転させるとともに、特定の角度位置で静止させるモータと、
前記コイルの回転角度位置p及び回転角速度ωを検出するロータリエンコーダと、
前記モータを回転角速度ωで回転させたとき、前記コイルに発生する誘導起電力Vを計測する電圧計測部と、
前記誘導起電力Vの最大値Vmaxとそのときの角度位置p0を記録したメモリと、
前記コイルに電流Iを流し、前記コイルに発生するトルクに抗して、前記コイルを前記角度位置p0に静止させる制御装置とを備え、
前記モータの出力トルクを校正対象のトルク変換器に入力することを特徴とするトルク校正装置。 An opposite-polarity-type magnetic circuit that forms a magnetic field having a magnetic flux density B;
A coil inserted into the opposite-polarity opposed magnetic circuit;
A motor that rotates the coil at a rotational angular velocity ω and stops at a specific angular position;
A rotary encoder that detects a rotational angle position p and a rotational angular velocity ω of the coil;
A voltage measuring unit that measures an induced electromotive force V generated in the coil when the motor is rotated at a rotational angular velocity ω;
A memory recording the maximum value V max of the induced electromotive force V and the angular position p 0 at that time;
A control device for causing a current I to flow through the coil and causing the coil to stand still at the angular position p 0 against a torque generated in the coil;
A torque calibration apparatus, wherein the output torque of the motor is input to a torque converter to be calibrated.
前記モータと前記コイルの間に校正対象のトルク計測機器を連結する第二の工程と、
前記コイルに電流Iを流し、前記モータにより、前記コイルに発生するトルクに抗して前記コイルを前記角度位置p0に静止させる第三の工程と、
前記モータの出力トルクを、前記トルク計測機器が具備するトルク変換器に入力し、このトルク変換器への指示値との対応により、前記トルク計測機器の校正を行う第四の工程とからなることを特徴とするトルク校正方法。
A coil is rotated at a rotational angular velocity ω inside a different pole facing magnetic circuit that drives a motor and forms a magnetic field having a magnetic flux density B, and a maximum value V max of the induced electromotive force V generated in the coil, and the induced electromotive force A first step of recording in the memory the angular position p 0 where V is the maximum value V max ;
A second step of connecting a torque measuring device to be calibrated between the motor and the coil;
A third step of passing the current I through the coil and causing the motor to stand still at the angular position p 0 against the torque generated in the coil;
The output torque of the motor is input to a torque converter provided in the torque measuring device, and the fourth step of calibrating the torque measuring device according to the instruction value to the torque converter. Torque calibration method characterized by
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