JP5048149B2 - 測定装置、及び測定方法 - Google Patents
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Description
例えば、直動案内装置の摺動抵抗を測定する場合も、同様に、ロードセルを用いて、摺動抵抗の測定が行われている。
図1は、本実施形態における測定装置1の構成を示す概略ブロック図である。同図に示すように、測定装置1は、ロッドタイプのリニアモータ10と、リニアモータ10を制御するモータ制御部20とを具備している。
以下、直動案内装置80のスライドブロック81が軌道レール82上を移動する際の摺動抵抗を測定する場合を例にして測定装置1を説明する。測定装置1は、リニアモータ10の可動子であるロッド101の一端を、測定対象である直動案内装置80のスライドブロック81に接触させて荷重を与えることにより、直動案内装置80の摺動抵抗を測定する。
なお、2つのエンドケース109のうちいずれか一方に、ロッド101が生じさせる磁界を検出する磁気センサ112が設けられている。
隣接するコイル104を絶縁させる必要があるので、コイル104間にはリング状の樹脂製スペーサ105aが介在される。コイルホルダ105上にはプリント基板106が設けられる。コイル104の巻線の端部104aは、プリント基板106に結線される。
磁気抵抗素子122に電流を流し、抵抗変化量が飽和する磁界強度を印加し、その磁界(H)の方向を電流方向Yに対して角度変化θを与えたとする。このとき、図6に示されるように、抵抗変化量(△R)は、電流方向と磁界の方向が垂直(θ=90°,270°)のときに最大となり、電流方向と磁界の方向が平行(θ=0°,180°)のときに最小となる。抵抗値Rは、電流方向と磁界方向の角度成分に応じて、下記の式(1)のように変化する。
なお、磁界強度が飽和感度以上であれば、△Rは定数になり、抵抗値Rは磁界の強度には影響されなくなる。
R0:無磁界中の強磁性薄膜金属の抵抗値
△R:抵抗変化量
θ:磁界方向を示す角度
エレメント(R1)に対して最も大きな抵抗変化を促す垂直方向の磁界は、エレメント(R2)に対し最小の抵抗変化となる。抵抗値R1とR2は次式(2)、(3)で与えられる。
R2=R0−△Rcos2θ…(3)
α=△R・Vcc/2(2R0−△R) …(5−2)
同図に示すように、強磁性薄膜金属の形状を形成すれば、二つの出力Vout+とVout−を用いて中点電位の安定性の向上と増幅を行うことが可能になる。
図10は、磁気センサ112と、ロッド101との位置関係を示す図である。同図に示すように、磁気センサ112を、飽和感度以上の磁界強度が印加されるギャップlの位置に、かつ磁界の方向変化がセンサ面に寄与するように配置する。
このとき、磁気センサ112がロッド101に沿って位置A〜Eの距離λを相対的に移動した場合、磁気センサ112の出力は、次のようになる。
磁気センサ収容部126内に磁気センサ112を配置した後、磁気センサ112の周囲を充填材127で埋める。これにより、磁気センサ112がエンドケース109に固定される。磁気センサ112は温度特性を持ち、温度の変化によって出力が変化する。コイル104から受ける熱の影響を低減するため、エンドケース109及び充填材127には、コイル収容ケース102よりも熱伝導率の低い材料が使用される。例えば、コイル収容ケース102にはエポキシ系の樹脂が使用され、エンドケース109及び充填材127には、ポリフェニレンサルファイド(PPS)が使用される。
同図に示すように、モータ制御部20は、荷重測定部21と、駆動部22とを備えている。荷重測定部21は、リニアモータ10に流れる電流の電流値と、リニアモータ10の推力定数とを乗じてリニアモータ10がロッド101を通じてスライドブロック81(測定対象)に与える荷重値を算出する荷重算出部211と、荷重算出部211が算出した荷重値を記憶する荷重記憶部212とを有している。
第2速度指令は、ロッド101が測定対象に接触し、測定対象に荷重を与えるときのロッド101が移動する速度を示す指令である。このとき、ロッド101を移動させる速度は、第2速度(FL2SPD)として予め定められている。第2速度(FL2SPD)は、第1速度(FL1SPD)より遅い速度であり、ロッド101がスライドブロック81に接触する際に不要な衝撃を発生させない速度以下に設定される。
第4速度指令は、測定対象に荷重を与えた後に、ロッド101を原点方向に移動させている際に、予め定めた速度切替位置(FL3POS)に達した後のロッド101を原点方向に移動させるときの速度を示す指令である。このとき、ロッド101を移動させる速度の上限値は、第4速度(FL4SPD)として予め定められている。また、第4速度(FL4SPD)は、第3速度(FL3SPD)より速い速度が設定される。
速度制御部223には、スイッチ部222が選択した速度指令と、速度算出部228が算出するリニアモータ10に備えられているロッド101の速度を示す速度情報とが入力される。速度制御部223は、速度指令が示す速度と、速度情報が示す速度との偏差に基づいて、ロッド101が移動する速度を速度指令の速度にする電流値を算出する。
電力変換器226は、電流制御部225が算出した電圧指令に応じた電圧をリニアモータ10に供給する。変流器227は、電力変換器226とリニアモータ10とを接続している電力線に取り付けられている。また、変流器227は、当該電力線に流れている電流値を測定し、荷重測定部21に備えられている荷重算出部211と、電流制御部225と、完了信号生成部231とに測定した電流値を出力する。
位置算出部229は、磁気センサ112から出力される正弦波信号及び余弦波信号(出力VoutA及びVoutB)の変化量に基づいてロッド101の原点からの移動量を算出して、ロッド101の位置を示す位置情報を出力する。
完了信号生成部231は、リニアモータ10がスライドブロック81に荷重を与えているときに、変流器227が測定した電流値が予め定められた電流制限値(FL2I)に到達すると、動作完了信号(UO2)を外部に出力する。
図19は、直動案内装置80の摺動抵抗を測定するときのリニアモータ10の動作を示す概略図である。ここで、ロッド101がスライドブロック81に近づく方向をCW方向(図面において右方向)とし、ロッド101がスライドブロック81から遠ざかる方向をCCW方向(図面において左方向)としている。ここでは、直動案内装置80の可動範囲のすべてに亘って摺動抵抗を測定し、摺動抵抗のばらつきを測定する場合について説明する。
上述の一連の動作において、荷重算出部211は、電流値に基づいて荷重値を算出し、算出した荷重値を荷重記憶部212に記憶させる。
モータ制御部20において制御が開始されると、位置判定部230は、動作開始信号(UI2)がオンになっているか否かを判定し(ステップS101)、動作開始信号がオンになるまで待機する(ステップS101:NO)。
ステップS101において、動作開始信号がオンになると(ステップS101:YES)、位置判定部230は、第3速度指令又は第4速度指令をスイッチ部222に選択させて、リニアモータ10に原点復帰の動作をさせる(ステップS102)。
位置判定部230は、ロッド101が、位置FL2POSに達しているか否かを判定し(ステップS105)、ロッド101が位置FL2POSに達するまで第1速度指令にてリニアモータ10を駆動させる(ステップS105:NO)。
完了信号生成部231は、変流器227が測定する電流値が電流制限値(FL2I)以上か否かを判定し(ステップS107)、電流値が電流制限値(FL2I)に到達するまで待機する(ステップS107:NO)。
位置判定部230は、動作開始信号がオフになっているか否かを判定し(ステップS109)、動作開始信号がオフになるまで待機する(ステップS109:NO)。
位置判定部230は、ロッド101の一端が速度切替位置(FL3POS)に達しているか否かを判定し(ステップS112)、ロッド101の一端が速度切替位置(FL3POS)に達するまで待機する(ステップS112:NO)。
次に、位置判定部230は、ロッド101の一端が原点に達したか否かを判定し(ステップS114)、ロッド101の一端が原点に達するまで待機する(ステップS114:NO)。
図21は、ロッド101を原点から移動開始させてから動作完了信号がオンになるまでにおける速度・電流・位置の対応を示すグラフである。図21(a)〜(d)の各グラフにおいて、横軸は時間を示し、縦軸はそれぞれ速度、電流値、位置、出力レベルを示す。
時刻t2において、ロッド101の速度が第1速度(FL1SPD)になり、移動し続ける。
時刻t3において、ロッド101の一端が位置FL2POSに達すると(ステップS105:YES)、モータ制御部20は、ステップS106の処理を行い、ロッド101の速度を第2速度(FL2SPD)まで減速させる。
時刻t5において、スライドブロック81が可動範囲の端に達して、ロッド101が停止すると、リニアモータ10に流れる電流が増加して電流制限値(FL2I)に達し(ステップS107:YES)、モータ制御部20がステップS108の処理を行うことにより、動作完了信号がオン状態となる。
図22は、動作完了信号がオンになってからロッド101を原点に戻すまでにおける速度・電流・位置の対応を示すグラフである。図22(a)〜(d)の各グラフにおいて、横軸は時間を示し、縦軸はそれぞれ速度、電流値、位置、出力レベルを示す。
時刻t12において、ロッド101の一端が速度切替位置(FL3POS)に達すると(ステップS112:YES)、モータ制御部20は、ステップS113の処理を行うことにより、位置制御部221が第4速度指令を算出してロッド101の速度を第4速度(FL4SPD)まで加速させる。
時刻t13において、ロッド101が移動する速度が、第4速度(FL4SPD)になる。
時刻t14において、モータ制御部20は、ロッド101の速度を減速させ、時刻t14において、ロッド101を原点に停止させ、動作完了信号をオフ状態にする(ステップS114、S115)。
このとき、位置判定部230は、ロッド101が位置FL2POSに達したことを示す信号を荷重算出部211に出力して、荷重算出部211に荷重の算出を開始させる。
ステップS207において、変流器227が測定する電流値が電流制限値(FL2I)に到達したと判定されると(ステップS207:YES)、完了信号生成部231は、動作完了信号をオンにして外部に出力し(ステップS208)、処理をステップS210に進める。
位置判定部230は、動作開始信号がオフになっているか否かを判定し(ステップS210)、動作開始信号がオフになっていないと判定された場合(ステップS210:NO)、処理をステップS205に戻し、ステップS205からステップS210までの処理を繰り返して行う。
一方、動作開始信号がオフになっていると判定されると(ステップS210:YES)、位置制御部221は、原点を移動先とする位置指令に応じて速度指令を算出する。また、位置判定部230は、第3速度指令をスイッチ部222に選択させるとともに、スイッチ部224に非制限電流指令を選択させ(ステップS211)、ロッド101を原点に向かって(CCW方向に)移動させる(ステップS212)。
位置判定部230は、ロッド101の一端が速度切替位置(FL3POS)に達していると判定すると(ステップS213:YES)、第4速度指令をスイッチ部222に選択させる(ステップS214)。このとき、位置判定部230は、ロッド101が位置FL3POSに達したことを示す信号を荷重算出部211に出力して、荷重算出部211に荷重の算出を終了させる。
位置判定部230は、ロッド101の一端が原点に達したと判定すると(ステプS215:YES)、ロッド101の一端が原点に達したことを示す信号を完了信号生成部231に出力し、完了信号生成部231が動作完了信号をオフにして(ステップS216)、制御の処理を終了する。
これにより、測定装置1は、ロードセル等の測定器具を設けることなく、スライドブロック81(測定対象)に与える荷重(摺動抵抗)を測定することができる。
すなわち、測定装置1において、位置制御部221がロッド101と測定対象とが接触していない場合における非接触時速度指令(第1速度指令、及び第4速度指令)と、ロッド101と測定対象とが接触している場合における接触時速度指令(第2速度指令、及び第3速度指令)であって非接触時速度指令より遅い速度を示す接触時速度指令とを出力する。そして、位置判定部230がロッド101の位置に応じて非接触時速度指令と接触時速度指令とのいずれか一方を、ロッド101の一端が予め定めた領域(位置FL2POS/FL3POSより原点から遠い領域)にあるか否かに基づいて選択してリニアモータ10を制御する。
このように、スライドブロック81に荷重を与える際の接触時速度指令は、非接触時速度指令が示す速度(第1速度(FL1SPD)、第4速度(FL4SPD))より遅い速度(第2速度(FL2SPD)、第3速度(FL3SPD))を示すことにより、スライドブロック81に与える荷重の変化を緩やかにするので、リニアモータ10に流れる電流の変化を小さくすることができ、荷重の測定を安定して行うことができる。その結果、測定誤差の発生を抑制して、測定精度を向上させることができる。また、ロッド101をスライドブロック81に接触させる際に不要な衝撃が発生することを防ぐことができる。
また、リニアモータ10の可動子であるロッド101をスライドブロック81に接触させて荷重を測定するので、測定器具を設ける必要がないので、測定器具を設けることにより生じる荷重の損失がなく、正確な荷重を測定することができる。
例えば、弾性体に荷重を加えた後に弾性体が元の形状に復元するときの応力を測定する場合に、ロッド101を低速な第3速度(FL3SPD)で原点に向けて移動させて、弾性体が元の形状に復元した後に高速な第4速度(FL4SPD)で原点に移動させることができる。このとき、速度切替位置(FL3POS)は、ロッド101が弾性体と離れる位置に予め設定される。このとき、第3速度は、弾性体の形状が復元する速度より遅い速度が設定される。
これにより、測定装置1は、弾性体が元の形状に復元する場合の応力についても、弾性体をひずませる場合と同様に、算出する荷重に含まれる誤差を小さくして、荷重の測定を安定して行うことができる。また、測定装置1は、弾性体が元の形状に復元した後に、荷重を測定する際の移動速度より速い第4速度(FL4SPD)でロッド101を原点に移動させるので、ロッド101を駆動する時間を短くすることができ、測定に要する時間を短縮することができる。
また、ロッド101の直線運動を案内するためにブッシュ108を備えた構成を説明したが、これに限ることなく、静圧案内を備えるようにしてもよい。これにより、荷重の測定精度を向上させることができる。
また、コイル収容ケース102に熱伝導率の高い素材を用いるようにしてもよい。これにより、リニアモータ10を駆動する際に生じる発熱によるコイル104等の温度上昇を抑えて、リニアモータ10に流れる電流値の変動を少なくすることができ、荷重の測定精度を向上させることができる。
また、位置判定部230が荷重算出部211に対して荷重の算出の開始及び終了を制御する構成について説明したが、荷重算出部211は、リニアモータ10が駆動している期間、常に荷重を算出するようにしてもよい。
また、本実施形態において、速度制御部223が算出する非制限電流指令に対して、電流制限値(FL2I)より大きい電流制限値(FL1I)を設けるようにしてもよい。この場合、リニアモータ10の定格電流値を電流制限値(FL1I)としてもよい。
Claims (6)
- リニアモータと、
前記リニアモータを駆動して前記リニアモータが有する可動子を移動させることにより測定対象に荷重を与える駆動部と、
前記可動子を相対移動させる際に前記リニアモータに流れる電流値と、前記リニアモータの推力定数とを乗じて前記可動子が前記測定対象に与える荷重を算出する荷重測定部と
を具備し、
前記駆動部は、
前記可動子が前記測定対象に荷重を与えるとき、前記可動子が前記測定対象に荷重を与える前の移動速度より遅い速度で前記可動子を相対移動させる
ことを特徴とする測定装置。 - 前記駆動部は、
前記可動子の位置を検出する位置検出部と、
前記可動子が前記測定対象に接触していない場合に前記可動子を移動させる非接触時速度指令と、前記可動子が前記測定対象に接触している場合に前記可動子を移動させる接触時速度指令であって前記非接触時速度指令より遅い速度を示す接触時速度指令とを出力する位置制御部と、
前記位置検出部が検出した位置に応じて、前記非接触時速度指令と前記接触時速度指令とのいずれかの速度指令を選択する位置判定部と、
前記位置判定部が選択した速度指令に基づいて電流指令を生成する速度制御部と、
前記速度制御部が生成した電流指令に基づいて前記リニアモータに電力を供給する電力変換器と
を備える
ことを特徴とする請求項1に記載の測定装置。 - 前記速度制御部は、
前記位置判定部が前記接触時速度指令を選択するとき、前記電流指令が示す電流値の上限を予め定められた電流制限値にする
ことを特徴とする請求項2に記載の測定装置。 - 前記非接触時速度指令は、前記可動子を前記測定対象に接近させる第1方向に移動させる際の速度を示す第1速度指令を含み、
前記接触時速度指令は、前記第1方向に移動させる際の速度を示す第2速度指令を含む
ことを特徴とする請求項2又は請求項3のいずれかに記載の測定装置。 - 前記接触時速度指令は、前記測定対象から前記可動子を遠ざける第2方向に移動させる際の速度を示す第3速度指令を含み、
前記非接触時速度指令は、前記第2方向に移動させる際の速度を示す第4速度指令を含む
ことを特徴とする請求項2から請求項4のいずれか一項に記載の測定装置。 - リニアモータを駆動して該リニアモータが有する可動子を移動させることにより測定対象に荷重を与える制御ステップと、
前記可動子を相対移動させる際に前記リニアモータに流れる電流値と、前記リニアモータの推力定数とを乗じて前記可動子が前記測定対象に与える荷重を算出する荷重測定ステップと
を有し、
前記制御ステップにおいて、
前記可動子が前記測定対象に荷重を与えるとき、前記可動子が前記測定対象に荷重を与える前の移動速度より遅い速度で前記可動子を相対移動させる
ことを特徴とする測定方法。
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