JP7151671B2

JP7151671B2 - 電動シリンダシステム及び電動シリンダの異常検出方法

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Publication number: JP7151671B2
Application number: JP2019163015A
Authority: JP
Inventors: 悠石田; 拓真中井
Original assignee: Sintokogio Ltd
Current assignee: Sintokogio Ltd
Priority date: 2019-09-06
Filing date: 2019-09-06
Publication date: 2022-10-12
Anticipated expiration: 2039-09-06
Also published as: JP2021041414A; DE112020004208T5; KR20220058550A; CN114340883A; US20220324190A1; WO2021044926A1; US11752721B2

Description

本開示は、電動シリンダシステム及び電動シリンダの異常検出方法に関する。

特許文献１は、ラムを上下動させてワークを押圧する電動プレスを開示する。電動プレスは、ラムに掛かる荷重を検出するロードセルを備える。電動プレスは、荷重がゼロの時のロードセルの出力をキャリブレーション量として記憶する。電動プレスは、キャリブレーション量が所定値以上の場合には、ロードセルの交換を促す告知を行う。所定値は、ラムの加圧動作の位置が荷重のない０点から最大荷重位置まで変位する間にロードセル出力が上限値または下限値を超える可能性があるキャリブレーション量である。所定値は、ロードセル出力とラムの位置との関係が線形であると仮定して設定される。

特開２００４－１４８３４５号公報

特許文献１に記載の電動プレスは、無荷重時のロードセルの出力のみに基づいてロードセルの交換を判定するため、ロードセルの交換の判定を正確に行えないおそれがある。例えば、無荷重時のロードセルの出力が許容範囲内であっても、有荷重時のロードセルの出力が許容範囲内にならない場合もある。

本開示は、歪検出器の異常の検出精度を向上できる電動シリンダシステムを提供する。

本開示の一側面に係る電動シリンダシステムは、ロッドと、電動機の駆動力によって回転運動するボールねじを有するボールねじ機構と、ロッドに接続されボールねじの回転運動によってボールねじの軸方向へロッドと共に直線運動するナットと、直線運動するナットが突き当たる接触部を有し、ボールねじ機構をボールねじの軸方向へ変位可能に支持する筒体と、筒体に固定されボールねじ機構の変位に応じた値を検出する歪検出器と、ナットを接触部に突き当ててボールねじ機構を変位させ、ボールねじ機構の変位に応じて歪検出器が検出する値に基づいて、歪検出器の異常を検出する制御部とを備える。

この電動シリンダシステムでは、ナットはボールねじの回転運動によってボールねじの軸方向へ直線運動する。直線運動するナットは、筒体の接触部に突き当たり、筒体の接触部を支点としてボールねじ機構に荷重を発生させる。ボールねじ機構は発生した荷重によってボールねじの軸方向へ変位する。歪検出器はボールねじ機構の変位に応じた値を検出する。このように、この電動シリンダシステムは、ワークを用いることなく歪検出器に荷重を掛けることができる。このため、この電動シリンダの制御部は、有荷重時に歪検出器が検出した値に基づいて歪検出器の異常を検出できる。よって、この電動シリンダシステムは、無荷重時の歪検出器の出力のみに基づいて歪検出器の異常を検出する場合と比べて、歪検出器の異常の検出精度を向上できる。

一実施形態においては、歪検出器は、筒体に固定される外縁部と、外縁部の内側に設けられボールねじの軸方向へ変位可能な可動部とを有し、ボールねじ機構は、ボールねじを回転可能に支持する複数の軸受を有し、複数の軸受は、筒体の接触部と歪検出器との間に配置される第１軸受と、歪検出器の可動部を第１軸受と挟持する第２軸受とを含んでもよい。この場合、ボールねじ機構がボールねじの軸方向のどちらに変位しても、歪検出器は変位を検出できる。

一実施形態においては、筒体は、接触部が設けられ第１軸受を支持する第１筒体と、第２軸受を支持する第２筒体とを有してもよい。この場合、筒体の接触部の加工が容易になるため、単一の部材から筒体を製造する場合と比べて、筒体の製造にかかる時間が短縮できる。

一実施形態においては、筒体の接触部と第１軸受との間に、ボールねじの軸方向へ空隙が設けられてもよい。第１軸受を有するボールねじ機構は、筒体の接触部と第１軸受との間に空隙が設けられることで、空隙分だけ接触部に近づく方向に移動することができる。このため、第１軸受が接触部に接触するまでの間、歪検出器は荷重に対するボールねじ機構の変位量を適切に測定できる。

一実施形態においては、制御部は、所定の荷重値のときに歪検出器によって検出されたボールねじ機構の変位に応じた値と、所定の荷重値のときに予め取得された基準値との比較に基づいて、歪検出器の異常を検出してもよい。この場合、この電動シリンダシステムは、予め取得された基準値を基準として歪検出器の異常を検出できる。

本開示の他の側面に係る電動シリンダの異常検出方法は、電動シリンダのボールねじを電動機の駆動力によって回転運動させ、ボールねじに取り付けられたナットをボールねじの軸方向へ直線運動させ、直線運動するナットを電動シリンダの筒体に設けられた接触部に突き当てるステップと、突き当てられたナットによって、筒体に設けられた接触部を支点としてボールねじを有するボールねじ機構をボールねじの軸方向に変位させるステップと、筒体に固定された歪検出器によって変位に応じた値を検出するステップと、検出するステップにおいて検出された、変位に応じた値に基づいて歪検出器の異常を検出するステップとを備える。

この電動シリンダの異常検出方法では、直線運動するナットは電動シリンダの筒体に設けられた接触部に突き当たる。突き当たったナットは筒体に設けられた接触部を支点として荷重を発生し、発生した荷重によってボールねじを有するボールねじ機構がボールねじの軸方向に変位する。ボールねじの変位に応じた値が、筒体に固定された歪検出器によって検出される。そして、ボールねじの変位に応じた値に基づいて歪検出器の異常が検出される。このように、この電動シリンダの異常検出方法は、ワークを用いることなく歪検出器に荷重を掛けることができる。このため、この電動シリンダの制御部は、有荷重時に歪検出器が検出した値に基づいて歪検出器の異常を検出できる。よって、この電動シリンダの異常検出方法は、無荷重時の歪検出器の出力のみに基づいて歪検出器の異常を検出する場合と比べて、歪検出器の異常の検出精度を向上できる。

本開示に係る電動シリンダシステムによれば、歪検出器の異常の検出精度を向上できる。

実施形態に係る電動シリンダシステムの一例を示す概要図である。図１のボールねじ機構の断面の部分拡大図である。図３の（Ａ）はボールねじ機構が変位する前の断面の部分拡大図であり、図３の（Ｂ）はボールねじ機構が変位した後の断面の部分拡大図である。制御装置とシリンダ部と電動機との関係を示す概要図である。制御装置の機能の一例を示すブロック図である。歪検出器の異常を検出する工程の一例を示すフローチャートである。基準値となるトルク負荷率を記憶するフローチャートである。歪検出器の異常を検出する工程の他の例を示すフローチャートである。時間と電動機の負荷率との関係を示すグラフである。

以下、図面を参照して、本開示の実施形態について説明する。なお、以下の説明において、同一又は相当要素には同一符号を付し、重複する説明は繰り返さない。図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。「上」「下」「左」「右」の語は、図示する状態に基づくものであり、便宜的なものである。

［電動シリンダシステムの構成］
図１は、実施形態に係る電動シリンダシステムの一例を示す概要図である。図中のＸ方向及びＹ方向が水平方向であり、Ｚ方向が垂直方向である。Ｘ方向、Ｙ方向及びＺ方向は、３次元空間の直交座標系における互いに直交する軸方向である。図１に示す電動シリンダシステム１００は、ワーク（不図示）を押圧して、成型又は圧入などを行うシステムである。電動シリンダシステム１００は、電動シリンダ１及び制御装置５０を備える。電動シリンダ１は、フレーム２に固定される。ワークは、フレーム２のワーク台２ａに設置され、電動シリンダ１のロッドが伸長することで、ワーク台２ａとロッド先端との間で押圧される。

電動シリンダ１は、電動機１０、回転伝達機構２０、及びシリンダ部３０を備える。図１においては、回転伝達機構２０及びシリンダ部３０は断面で示される。電動機１０は、回転伝達機構２０を介してシリンダ部３０に接続される。電動機１０で発生した駆動力は回転伝達機構２０を介してシリンダ部３０に伝達される。制御装置５０は、電動シリンダ１に接続され、電動シリンダ１の動作を制御する。より具体的には、制御装置５０は、電動機１０及びシリンダ部３０と通信可能に接続され、電動機１０を制御する。

電動機１０は、制御装置５０から供給される電力によって駆動力を発生する。電動機１０は、例えばサーボモータである。電動機１０は、モータ本体１１及びエンコーダ１２を有する。モータ本体１１はモータシャフト１１１を含む。モータ本体１１は、制御装置５０から電力を供給され、モータシャフト１１１の軸方向（ここではＺ方向）を中心としてモータシャフト１１１を回転させる。エンコーダ１２は、モータシャフト１１１の回転角を検出し、制御装置５０にフィードバックする。電動機１０で発生した駆動力は、モータシャフト１１１を通して回転伝達機構２０に伝達される。

回転伝達機構２０は、電動機１０の駆動力をシリンダ部３０に伝達する。回転伝達機構２０は、筐体２１、二つのタイミングプーリ２２,２４、タイミングベルト２３、回転軸２５、及び二つの軸受２６,２７を有する。筐体２１は、二つのタイミングプーリ２２,２４、タイミングベルト２３、回転軸２５、及び二つの軸受２６,２７をその内部に収容する。筐体２１の外側には電動機１０が固定され、タイミングプーリ２２には電動機１０のモータシャフト１１１が接続される。筐体２１の外側には電動機１０と並設するようにシリンダ部３０が固定される。タイミングプーリ２４には、二つの軸受２６,２７に回転可能に支持された回転軸２５が接続される。二つのタイミングプーリ２２,２４は、タイミングベルト２３によって連結される。電動機１０によって発生した駆動力は、タイミングベルト２３を介してタイミングプーリ２２からタイミングプーリ２４へ伝達され、回転軸２５の軸方向（ここではＺ方向）を中心として回転軸２５を回転させる。

シリンダ部３０は、回転伝達機構２０から伝達された駆動力に基づいて動作する。シリンダ部３０は、筒体３０ａ、歪検出器３３、ボールねじ機構３５、ナット３５６、ロッド３５７、減速機３６、及びすべりキー３７を有する。筒体３０ａは、歪検出器３３、ボールねじ機構３５、ナット３５６、ロッド３５７、及び減速機３６を、収容又は保持する。筒体３０ａの外周面には、すべりキー３７が後述するロッドの溝にアクセス可能とするための開口が設けられる。ボールねじ機構３５には、ボールねじ３５３のスプライン部３５ｅを介して減速機３６が接続される。減速機３６には回転軸２５が接続される。回転軸２５の駆動力は、減速機３６及びボールねじ３５３のスプライン部３５ｅを介してボールねじ機構３５に伝達され、ボールねじ機構３５及びすべりキー３７によってロッドの直線運動の駆動力に変換される。

図２は、図１のボールねじ機構の断面の部分拡大図である。図１,２に示されるように、ボールねじ機構３５は、二つの軸受３５１,３５２（複数の軸受の一例）、ボールねじ３５３、カラー３５４、及びベアリングナット３５５を含む。ボールねじ３５３は、回転軸２５の軸方向に延在し、ねじ部３５ａ、円柱部３５ｂ及びスプライン部３５ｅを含む。ねじ部３５ａは、外周面にねじ山を有し、ナット３５６が螺合される棒状部材である。円柱部３５ｂは、ねじ部３５ａの末端に接続され、ねじ部３５ａよりも縮径された形状を有する。ねじ部３５ａの末端には、円柱部３５ｂとの直径の違いによって段差面３５ｄが形成される。スプライン部３５ｅは円柱部３５ｂの末端に形成され、例えば、インボリュート曲線に基づくスプライン形状を外周面に有し、減速機３６に設けられた内周面のスプライン形状と嵌合する。円柱部３５ｂは、二つの軸受３５１,３５２によって回転可能に支持される。軸受３５１（第１軸受の一例）は、ねじ部３５ａの段差面３５ｄに接触するように設けられる。軸受３５２（第２軸受の一例）は、円柱部３５ｂの末端に配置される。二つの軸受３５１,３５２の間には、カラー３５４が介在する。カラー３５４は、二つの軸受３５１,３５２によって挟持される。さらに、円柱部３５ｂの末端には、ベアリングナット３５５が設けられる。ベアリングナット３５５は、カラー３５４を挟持する二つの軸受３５１,３５２を、ねじ部３５ａの段差面３５ｄとの間に挟持する。

ナット３５６は、ボールねじ３５３に螺合される。ナット３５６には、ボールねじ３５３の回転力が伝達される。ナット３５６は、ロッド３５７に接続される。ロッド３５７に設けられたキー溝は、筒体３０ａに設けられたすべりキー３７と嵌合する。ナット３５６に伝達された回転力は、ロッド３５７のキー溝及びすべりキー３７によって回転運動が規制され、ボールねじ３５３の軸方向（ここではＺ方向）への駆動力となる。このように、ナット３５６は、ボールねじ３５３の回転運動によってボールねじ３５３の軸方向へロッド３５７と共に直線運動する。

筒体３０ａは、ボールねじ機構３５をボールねじ３５３の軸方向へ変位可能に支持する。筒体３０ａは、筒体３１（第１筒体の一例）、筒体３２（第２筒体の一例）及び筒体３４を有し、筒体３１、筒体３２及び筒体３４が連結されて構成される。筒体３１は、軸受３５１を収容し、軸受３５１をボールねじ３５３の軸方向へ変位可能に支持する。筒体３１の内径は、軸受３５１の外径とほぼ等しい。筒体３１は、直線運動するナット３５６が突き当たる接触部３１ｂを含む。接触部３１ｂは、筒体３１の先端において筒体３１の内側に突出した部位（鍔）である。接触部３１ｂの内径は、ナット３５６の外径よりも小さい。このため、ナット３５６は、ボールねじ機構３５の末端へと移動したときに接触部３１ｂに突き当たる。

接触部３１ｂと軸受３５１との間には空隙３１ａが設けられる。つまり、接触部３１ｂと軸受３５１とは接触しておらず、ボールねじ機構３５が空隙３１ａだけボールねじ３５３の軸方向への変位を許容する。空隙３１ａは、一例として０．５ｍｍ～２．０ｍｍであるがその大きさには限定されず、要はボールねじ機構３５の変位を後述する歪検出器３３が検出可能な程度の隙間であれば何でもよい。

筒体３２は、軸受３５２を収容し、軸受３５２をボールねじ３５３の軸方向へ変位可能に支持する。つまり、軸受３５１は筒体３１に、軸受３５２は筒体３２に、それぞれ変位可能に支持される。ボールねじ機構３５は、筒体３１及び筒体３２によって、ボールねじ３５３の軸方向に変位可能に支持される。

歪検出器３３は、ボールねじ機構３５の変位に応じた値を検出する。歪検出器３３は、一例としてロードセルである。歪検出器３３は、外縁部３３ａ及び可動部３３ｂを含む。歪検出器３３は、一例として板状部材である。外縁部３３ａは、板状部材の縁を構成し、筒体３０ａに固定される。一例として、外縁部３３ａは、筒体３１と筒体３２とに挟持される。可動部３３ｂは、外縁部３３ａの内側に設けられボールねじ３５３の軸方向へ変位可能である。例えば、可動部３３ｂは、板状部材の外縁部３３ａの内側の弾性部３３ｃを介して外縁部３３ａに接続される。弾性部３３ｃには歪みゲージが設けられる。歪みゲージは、可動部３３ｂの変位に応じた弾性部３３ｃの歪みに基づいて、可動部３３ｂの変位に応じた値を出力する。

軸受３５１は、筒体３０ａの接触部３１ｂと歪検出器３３の可動部３３ｂとの間に配置される。軸受３５２は、歪検出器３３の可動部３３ｂを軸受３５１との間に挟持する。これにより、可動部３３ｂは、軸受３５１と軸受３５２とに挟持され、軸受３５１及び軸受３５２と共に変位する。ボールねじ機構３５の変位は、軸受３５１及び軸受３５２を介して可動部３３ｂに伝達する。

図３は、ナット３５６が接触部３１ｂに突き当たり、ボールねじ機構３５が変位した場合の概念図である。図３の（Ａ）は、ナット３５６が接触部３１ｂに突き当たる前のボールねじ機構３５の位置を示す。ナット３５６と接触部３１ｂとの間には空間があり、ナット３５６と接触部３１ｂとは接触していない。軸受３５１と接触部３１ｂとの間には空隙３１ａが設けられる。軸受３５２と筒体３２との間にも、空隙３１ａと同程度の幅の空隙３２ａが設けられる。可動部３３ｂは変位しておらず、外縁部３３ａと同一平面上に位置する。

図３（Ｂ）は、ボールねじ機構３５が変位した後の位置を示す。ロッド３５７の収縮方向にナット３５６を直線運動させると、ナット３５６は接触部３１ｂに突き当たる。ナット３５６は、接触部３１ｂを支点に、ボールねじ機構３５をロッド３５７の伸長方向に変位させる。ロッド３５７の伸長方向へのボールねじ機構３５の変位によって、空隙３１ａは小さくなり、空隙３２ａは広がる。可動部３３ｂはボールねじ機構３５と共に変位して、外縁部３３ａよりもナット３５６に近接する。このように、電動シリンダ１は、ワークを用いること無く、歪検出器３３に荷重を与えることができる。なお、ボールねじ３５３と減速機３６とはボールねじ３５３のスプライン部３５ｅによって接続されているため、回転力の伝達は、ボールねじ機構３５がボールねじ３５３の軸方向に変位しても影響を受けない。

［制御装置の構成］
図４は、制御装置５０とシリンダ部３０と電動機１０との関係を示す概要図である。制御装置５０は、制御部５１及びモータドライバ５２を有する。制御部５１はモータドライバ５２と、双方向通信可能に接続される。制御部５１は、例えば、サーボコントローラ、プログラマブルロジックコントローラである。制御部５１は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）などの演算装置、ＲＯＭ（ReadOnly Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）などの記憶装置、及び通信装置などを有する汎用コンピュータで構成されてもよい。

制御部５１には、歪検出器３３の可動部３３ｂの変位に応じた信号が入力される。モータドライバ５２は、例えば、サーボアンプである。モータドライバ５２には、モータシャフト１１１の回転角に応じた信号が、エンコーダ１２から入力される。モータドライバ５２は、エンコーダ１２から入力された信号に基づいて、モータ本体１１に電流を流し、電動機１０を制御する。この時に流れる電流値と、電動機１０の定格電流値とに基づいて、電動機１０のトルク負荷率が計算される。

図５は、制御装置５０の制御部５１を示すブロック図である。制御部５１は、ロードセルアンプ部５１１、Ａ／Ｄ変換部５１２、ゲイン設定部５１３、オフセット設定部５１４、荷重値変換部５１５、演算部５１６、記憶部５１７、及びモータドライバ通信部５１８を含む。

ロードセルアンプ部５１１は、可動部３３ｂの変位を電圧値の信号へ変換する。Ａ／Ｄ変換部５１２は、ロードセルアンプ部５１１から入力された電圧値の信号を、デジタル電気信号に変換する。ゲイン設定部５１３は、Ａ／Ｄ変換部５１２から入力されたデジタル電気信号に乗数をかけて、ゲインを調整する。オフセット設定部５１４は、ゲイン設定部５１３から入力されたデジタル電気信号に補正値を加えることで、無負荷時の歪検出器３３の出力を調整する。荷重値変換部５１５は、オフセット設定部５１４から入力されたデジタル電気信号を、可動部３３ｂの変位に応じたデジタル電気信号から、可動部３３ｂに加わる荷重に応じたデジタル電気信号に変換する。

モータドライバ通信部５１８は、モータドライバ５２及び演算部５１６と双方向に通信する。例えば、モータ本体１１に流した電流値、電流値に基づくトルク負荷率、又は、モータシャフト１１１の回転角などが、モータドライバ５２からモータドライバ通信部５１８に入力される。モータドライバ通信部５１８は、演算部５１６から入力された指示に基づいて、電動機１０を制御する信号をモータドライバ５２に出力する。

演算部５１６は、荷重値変換部５１５から入力されたデジタル電気信号に基づいて、可動部３３ｂの受けた荷重を記憶部５１７に出力する。演算部５１６は、モータドライバ通信部５１８から入力された、モータ本体１１に印加した電流値、電流値に基づくトルク負荷率、又はモータシャフト１１１の回転角など（ボールねじ機構の変位に応じた値の一例）を、記憶部５１７に出力する。また、演算部５１６は、記憶部５１７を参照して、電動機１０を制御する指示をモータドライバ５２に出力する。

演算部５１６は、記憶部５１７に記憶された歪検出器３３の荷重に基づいて電動機１０の制御を行い、この時の電動機１０のトルク負荷率に基づいて、歪検出器３３の異常を検出する。例えば、演算部５１６は、電動機１０のトルク負荷率及び可動部３３ｂの荷重を基準値として記憶部５１７に記憶する。基準値は、実際に荷重が負荷された時のトルク負荷率である。次に、演算部５１６は、記憶部５１７に記憶された荷重と同一となるまで、ナット３５６を接触部３１ｂに押し当てる指示を、モータドライバ５２に出力する。演算部５１６は、ナット３５６を接触部３１ｂに押し当てて得られた電動機１０のトルク負荷率と、記憶部５１７に記憶されたトルク負荷率（基準値の一例）とを比較して、演算部５１６は歪検出器３３の異常を検出する。

［電動シリンダシステムの動作］
次に、電動シリンダ１が歪検出器３３の異常を検出する工程の一例を説明する。図６は、歪検出器の異常を検出する工程の一例を示すフローチャートである。図６に示されるフローチャートは、制御装置５０によって実行される。

図６に示されるように、最初に、制御装置５０は、突当処理（ステップＳ１）として、電動シリンダ１のボールねじ３５３を電動機１０の駆動力によって回転運動させ、ボールねじ３５３に取り付けられたナット３５６をボールねじ３５３の軸方向（収縮方向）へ直線運動させ、直線運動するナット３５６を電動シリンダ１の筒体３０ａに設けられた接触部３１ｂに突き当てる。

続いて、制御装置５０は、変位処理（ステップＳ２）として、突き当てられたナット３５６によって、筒体３０ａに設けられた接触部３１ｂを支点としてボールねじ３５３を有するボールねじ機構３５をボールねじ３５３の軸方向に変位させる（図３の（Ｂ））。

続いて、制御装置５０は、変位検出処理（ステップＳ３）として、筒体３０ａに固定された歪検出器３３によって変位に応じた値を検出する。

続いて、制御装置５０は、異常判定処理（ステップＳ４）として、変位検出処理（ステップＳ３）において検出された、変位に応じた値に基づいて歪検出器３３の異常を検出する。制御装置５０は、例えば、所定の荷重値のときに歪検出器３３によって検出されたボールねじ機構３５の変位に基づいて電動機１０のトルク負荷率を算出する。そして、制御装置５０は、電動機１０のトルク負荷率と、記憶部５１７に記憶された基準値（実際に荷重が負荷された時のトルク負荷率）との比較に基づいて、歪検出器３３の異常を検出する。制御装置５０は、例えば、電動機１０のトルク負荷率と基準値との差分の絶対値が予め設定された閾値以下である場合には、歪検出器３３が正常であると判定する。制御装置５０は、例えば、電動機１０のトルク負荷率と基準値との差分の絶対値が予め設定された閾値を超える場合には、歪検出器３３が異常であると判定する。異常判定処理（ステップＳ４）が終了すると、図６に示されるフローチャートは終了する。

図６に示されるフローチャートを実行することにより、所定の荷重値において実測した過去のトルク負荷率と、所定の荷重値において実測した現在のトルク負荷率とを比較して歪検出器３３の異常を検出することができる。

制御装置５０は、図６において説明された所定の荷重値を変更し、複数の荷重値において比較を行い、歪検出器３３の異常を検出することもできる。図７は、トルク負荷率が基準値として記憶される工程を示すフローチャートである。図８は、各目標荷重において、トルク負荷率を基準値と比較して、歪検出器３３の異常を検出する工程を示すフローチャートである。図９は、各目標荷重における、時間とトルク負荷率の関係を示すグラフである。図７及び図８に示される工程は、制御装置５０によって実行される。

図７の工程では、一例として３つの目標荷重が設定される。この工程は、校正された電動シリンダシステム１００を用いて行われる。目標荷重とは、歪検出器３３の異常を検出する際に、制御装置５０が歪検出器３３にかける荷重の値である。図７の工程では、電動シリンダ１の定格推力を最大荷重値として、最大荷重値を３分割した値が、それぞれ、第１目標荷重と、第２目標荷重と、第３目標荷重とに設定される。これらの目標荷重は、図８における目標荷重と同一である。また、これらの目標荷重におけるトルク負荷率が図９に示されている。

図７に示されるように、制御装置５０は、ステップＳ１０として、ロッド３５７及びナット３５６を、ボールねじ３５３の軸方向においてロッド３５７の収縮方向に直線運動させて、接触部３１ｂに突き当てる。突き当てられたナット３５６は、接触部３１ｂを支点に、ボールねじ機構３５をロッド３５７の伸長方向に変位させる。可動部３３ｂはボールねじ機構３５と共に変位して、外縁部３３ａよりもナット３５６に近接する。制御装置５０は、可動部３３ｂの変位に応じた信号に基づいて、歪検出器３３の荷重を測定する。荷重が第１目標荷重になった時、制御装置５０はロッド３５７及びナット３５６を、接触部３１ｂに突き当てた状態を維持して停止させる。換言すれば、制御装置５０は、ボールねじ機構３５から歪検出器３３にかかる荷重が第１目標荷重になるように、電動機１０を制御する。

制御装置５０は、ステップＳ１２として、歪検出器３３に第１目標荷重がかかる時の電動機１０のトルク負荷率を算出して、そのトルク負荷率を基準値として記憶部５１７に記憶する。図９に示されるように、トルク負荷率は、目標荷重に到達した直後に大きく変動して、その後に安定する。大きく変動するトルク負荷率を基準値として記憶すると、歪検出器３３の異常の検出が正確に行われないため、安定したトルク負荷率を基準値として記憶する。一例として、制御装置５０は、トルク負荷率安定範囲が設定されることで、安定したトルク負荷率を算出できる。

図９を参照して、トルク負荷率安定範囲が設定された制御装置５０の、トルク負荷率を算出する手順を説明する。トルク負荷率安定範囲が設定された制御装置５０は、歪検出器３３の荷重値が第１目標荷重（ｌ_１）に到達しても、一定期間（ｔ_１）は、その状態を維持する。制御装置５０は、一定期間（ｔ_１）経過後に、時間を遡ってトルク負荷率の平均値を算出し、トルク負荷率がトルク負荷率安定範囲から外れる時間（ｔ_１ａ）を、平均値の算出から除外する。制御装置５０は、上記の過程で算出したトルク負荷率の平均値を、トルク負荷率の基準値として記憶部５１７に記憶する。以下、第２目標荷重（ｌ_２）においても同様に、制御装置５０は、トルク負荷率がトルク負荷率安定範囲から外れる時間（ｔ_２ａ）を平均値の算出から除外する処理を行い、第３目標荷重（ｌ_３）においても同様の処理を行う。

ステップＳ１４～ステップＳ１６では、目標荷重を第２目標荷重に変えて、上記のステップＳ１０～ステップＳ１２と同一の操作が行われる。また、ステップＳ１８～ステップＳ２０も、目標荷重を第３目標荷重に変えて、上記のステップＳ１０～ステップＳ１２と同一の操作が行われる。ステップＳ１０～ステップＳ２０において、３つの目標荷重における電動機１０のトルク負荷率が、基準値として記憶部５１７に記憶される。制御装置５０は、ステップＳ２２として、接触部３１ｂに突き当たっていたロッド３５７及びナット３５６を、ボールねじ３５３の軸方向において歪検出器３３に荷重がかからない所定の原位置まで移動させる。ステップＳ２２が終了すると、図７に示されるフローチャートが終了する。

次に、歪検出器３３の異常を検出する工程を説明する。歪検出器３３の異常の検出は通常作業時に行われ、例えば、始業前の点検などで行われる。図８に示されるように、制御装置５０は、ステップＳ３０として、ステップＳ１０と同一の操作を行い、ボールねじ機構３５から歪検出器３３にかかる荷重が第１目標荷重になるように、電動機１０を制御する。

制御装置５０は、ステップＳ３２として、歪検出器３３に第１目標荷重がかかる時の電動機１０のトルク負荷率を算出して、ステップＳ１２のトルク負荷率との比較を行う。具体的には、演算部５１６が、基準値として記憶部５１７に記憶されたステップＳ１２のトルク負荷率と、ステップＳ３２の実際のトルク負荷率とを比較する。比較とは、基準値として記憶部５１７に記憶されたステップＳ１２のトルク負荷率に所定の閾値を設定して、実際のトルク負荷率がその閾値内に含まれるか判断する作業をいう。

ステップＳ３４～ステップＳ３６では、目標荷重を第２目標荷重に変えて、上記のステップＳ３０～ステップＳ３２と同一の操作が行われる。また、ステップＳ３８～ステップＳ４０にかけても、目標荷重を第３目標荷重に変えて、上記のステップＳ３０～ステップＳ３２と同一の操作が行われる。ステップＳ４２では、ステップＳ２２と同様に、制御装置５０は、ロッド３５７及びナット３５６を所定の原位置まで移動させる。

ステップＳ４４では、ステップＳ３２、ステップＳ３６、及びステップＳ４０の各比較の結果に基づいて、歪検出器３３の異常を検出する。一例として、各目標荷重におけるトルク負荷率の比較の結果がすべて閾値内に含まれる場合には、演算部５１６は歪検出器３３が正常と判定して、ステップＳ４６で正常判定を出力する。上記に該当しない場合は、演算部５１６は歪検出器３３の異常と判定して、ステップＳ４８で異常判定を出力する。

ステップＳ１０～ステップＳ２２の工程は、マスターデータ取得用の動作プログラムとして、記憶部５１７に記憶される。また、ステップＳ３０～ステップＳ４２の工程も、歪検出器３３の異常検出動作プログラムとして、記憶部５１７に記憶される。制御装置５０は、オペレータの操作によって、上記プログラムを実行する。

［実施形態のまとめ］
電動シリンダシステム１００、及び電動シリンダ１の異常検出方法によれば、ナット３５６はボールねじ３５３の回転運動によってボールねじ３５３の軸方向へ直線運動する。直線運動するナット３５６は、筒体３０ａの接触部３１ｂに突き当たり、筒体３０ａの接触部３１ｂを支点としてボールねじ機構３５に荷重を発生させる。ボールねじ機構３５は発生した荷重によってボールねじ３５３の軸方向へ変位する。歪検出器３３はボールねじ機構３５の変位に応じた値を検出する。このように、この電動シリンダシステム１００は、ワークを用いることなく歪検出器３３に荷重を掛けることができる。このため、この電動シリンダ１の制御部５１は、有荷重時に歪検出器３３が検出した値に基づいて歪検出器３３の異常を検出できる。つまり、制御部５１は、経年劣化による歪検出器３３の出力値と荷重の関係の変化（歪みゲージの接着材の硬化・劣化による変化）を考慮して歪検出器３３の異常を検出できる。よって、この電動シリンダシステム１００は、無荷重時の歪検出器３３の出力のみに基づいて歪検出器３３の異常を検出する場合と比べて、歪検出器３３の異常の検出精度を向上できる。

筒体３０ａは、接触部３１ｂが設けられ軸受３５１を支持する筒体３１と、軸受３５２を支持する筒体３２とを有することにより、接触部３１ｂの加工が容易になるため、単一の部材から筒体３０ａを製造する場合と比べて、筒体３０ａの製造にかかる時間が短縮できる。

筒体３０ａの接触部３１ｂと軸受３５１との間に、ボールねじ３５３の軸方向へ空隙３１ａが設けられることにより、ボールねじ機構３５は、空隙３１ａ分だけ接触部３１ｂに近づく方向に移動することができる。このため、軸受３５１が接触部３１ｂに接触するまでの間、歪検出器３３は荷重に対するボールねじ機構３５の変位量を適切に測定できる。

［変形例］
以上、種々の例示的実施形態について説明してきたが、上記の例示的実施形態に限定されることなく、様々な省略、置換、及び変更がなされてもよい。例えば、歪検出器３３の異常の検出を、トルク負荷率から電流値に置き換えて行ってもよい。また、目標荷重の代わりに目標トルク負荷率を設定して、各目標トルク負荷率における荷重を比較して、歪検出器３３の異常を検出する工程があってもよい。複数の目標荷重におけるトルク負荷率を算出して、歪検出器３３の出力の直進性を評価して、歪検出器３３の異常を検出してもよい。

電動シリンダシステム１００は、ワークを押圧する際に、歪検出器３３の異常を検出してもよい。この場合、伸長方向に直線運動したロッド３５７のワーク押圧部３５ｃは、ワーク（図示しない）に突き当たる。ロッド３５７は、ワークを支点に、ボールねじ機構３５をロッド３５７の収縮方向に変位させる。ボールねじ機構３５の収縮方向への変位によって、空隙３２ａは小さくなり、空隙３１ａは広がる。可動部３３ｂはボールねじ機構３５とともに変位して、外縁部３３ａよりもナット３５６から離間する。制御装置５０は、可動部３３ｂの変位に応じた信号に基づいて、歪検出器３３の荷重を測定する。荷重が第１目標荷重になった時、制御装置５０はロッド３５７を、ワークに突き当てた状態を維持して停止させる。このように動作することで、電動シリンダシステム１００は、ワークを押圧する際に、歪検出器３３の異常を検出することができる。このような動作は、歪検出器３３の可動部３３ｂを二つの軸受３５１,３５２で挟持することにより実現する。このような構成により、ボールねじ機構３５がボールねじ３５３の軸方向のどちらに変位しても、歪検出器３３は変位を検出できる。

電動シリンダシステム１００は、筒体３４の内部において、ナット３５６の先端が突き当たる接触部を設けてもよい。この場合、電動シリンダシステム１００は、上述したワークを押圧する場合と同一の手順で歪検出器３３の異常を検出することができる。

電動シリンダ１は、軸受３５１,３５２を備えなくてもよい。筒体３０ａは、単一の部材で構成されてもよい。筒体３１と筒体３４とは一体的に形成されてもよい。歪検出器３３は、筒体３０ａに固定されていればよく、分割された筒体に挟持されることに限定されない。

１００…電動シリンダシステム、１…電動シリンダ、１０…電動機、２０…回転伝達機構、３０…シリンダ部、３１…筒体、３１ａ…空隙、３１ｂ…接触部、３３…歪検出器、３３ａ…外縁部、３３ｂ…可動部、３５…ボールねじ機構、３５１…軸受、３５２…軸受、３５３…ボールねじ、３５６…ナット、３５７…ロッド、５０…制御装置、５１…制御部、５１６…演算部、５１７…記憶部、５２…モータドライバ。

Claims

ロッドと、
電動機の駆動力によって回転運動するボールねじを有するボールねじ機構と、
前記ロッドに接続され前記ボールねじの回転運動によって前記ボールねじの軸方向へ前記ロッドと共に直線運動するナットと、
前記直線運動する前記ナットが突き当たる接触部を有し、前記ボールねじ機構を前記ボールねじの軸方向へ変位可能に支持する筒体と、
前記筒体に固定され前記ボールねじ機構の変位に応じた値を検出する歪検出器と、
前記ナットを前記接触部に突き当てて前記ボールねじ機構を変位させ、前記ボールねじ機構の変位に応じて前記歪検出器が検出する値に基づいて、前記歪検出器の異常を検出する制御部と、
を備える、電動シリンダシステム。
前記歪検出器は、
前記筒体に固定される外縁部と、
前記外縁部の内側に設けられ前記ボールねじの軸方向へ変位可能な可動部と、
を有し、
前記ボールねじ機構は、前記ボールねじを回転可能に支持する複数の軸受を有し、
前記複数の軸受は、
前記筒体の前記接触部と前記歪検出器の前記可動部との間に配置される第１軸受と、
前記歪検出器の前記可動部を前記第１軸受と挟持する第２軸受と、
を含む、請求項１に記載の電動シリンダシステム。
前記筒体は、
前記接触部が設けられ前記第１軸受を支持する第１筒体と、
前記第２軸受を支持する第２筒体と、
を有する、請求項２に記載の電動シリンダシステム。
前記筒体の前記接触部と前記第１軸受との間に空隙が設けられる、請求項２に記載の電動シリンダシステム。
前記制御部は、所定の荷重値のときに前記歪検出器によって検出されたボールねじ機構の変位に応じた値と、前記所定の荷重値のときに予め取得された基準値との比較に基づいて、前記歪検出器の異常を検出する、請求項１に記載の電動シリンダシステム。
電動シリンダの異常検出方法であって、
前記電動シリンダのボールねじを電動機の駆動力によって回転運動させ、前記ボールねじに取り付けられたナットを前記ボールねじの軸方向へ直線運動させ、前記直線運動するナットを前記電動シリンダの筒体に設けられた接触部に突き当てるステップと、
前記突き当てられたナットによって、前記筒体に設けられた前記接触部を支点として前記ボールねじを有するボールねじ機構を前記ボールねじの軸方向に変位させるステップと、
前記筒体に固定された歪検出器によって前記変位に応じた値を検出するステップと、
前記検出するステップにおいて検出された、前記変位に応じた値に基づいて前記歪検出器の異常を検出するステップと、
を備える、電動シリンダの異常検出方法。