WO2021065264A1 - 電動シリンダシステム - Google Patents

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WO2021065264A1
WO2021065264A1 PCT/JP2020/032410 JP2020032410W WO2021065264A1 WO 2021065264 A1 WO2021065264 A1 WO 2021065264A1 JP 2020032410 W JP2020032410 W JP 2020032410W WO 2021065264 A1 WO2021065264 A1 WO 2021065264A1
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WO
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value
load value
calibration
output
load
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PCT/JP2020/032410
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拓真 中井
悠 石田
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新東工業株式会社
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    • G01L5/0061—Force sensors associated with industrial machines or actuators
    • G01L5/0076—Force sensors associated with manufacturing machines

Definitions

  • This disclosure relates to an electric cylinder system.
  • Patent Document 1 discloses an electric press that operates a ram to press a work.
  • the electric press includes a load cell that detects the load applied to the ram and a control unit that calibrates the load cell.
  • the control unit adjusts the gain value and the offset value of the load cell amplifier. Specifically, the control unit determines that the output value of the amplifier when 30% of the rated load is applied and the output value of the amplifier when 60% of the rated load is applied are within the respective specified ranges. Until then, fine-tuning the gain value of the amplifier and fine-tuning the offset value are repeated.
  • the specified range is determined using the initially obtained load value or the detection value of the calibration load cell.
  • the electric press described in Patent Document 1 requires fine adjustment of the gain value and offset value of the load cell amplifier while checking the result, so that calibration may take time.
  • the present disclosure provides an electric cylinder system that can easily calibrate the output of a strain detector that detects a load on an electric cylinder.
  • an electric cylinder having a rod for pressing a work, a strain detector for outputting a value corresponding to a load applied to the rod, and a rod pressing a strain detector for calibration. Measured load value based on the reference load value according to the output value of the calibration strain detector and the measured load value according to the output value of the strain detector when the rod presses the calibration strain detector.
  • the storage unit that stores the gain value and offset value output by the output unit as calibration parameters, and the calibration parameter stored in the storage unit.
  • a calibration unit that calibrates the load value according to the output value detected by the strain detector based on the above, and the gain value and the offset value output by the output unit satisfy the relationship of the equation (1).
  • a is a gain value
  • b is an offset value
  • s x is a dispersion value of a measured load value
  • s xy is a covariance value of a measured load value and a reference load value
  • X is an average value of the measured load values
  • Y is a reference. It is the average value of the load value.
  • the load value corresponding to the output value of the strain detector is calibrated based on the gain value a and the offset value b output by the output unit. Since the gain value a and the offset value b output by the output unit satisfy the relationship shown in the mathematical formula (1), the calibration unit approximates the correspondence between the reference load value and the measured load value to a straight line by the least squares method. The difference between the reference load value and the measured load value can be calibrated. Therefore, according to this electric cylinder system, the correspondence between the reference load value and the measured load value can be derived only by measuring the measured load value corresponding to the reference load value several times. Therefore, the load cell amplifier while checking the result. Compared with the case of finely adjusting the gain value and offset value of, the output of the strain detector that detects the load of the electric cylinder can be easily calibrated.
  • a determination unit for determining whether or not the difference between the reference load value and the measured load value after calibration by the calibration unit is equal to or less than the threshold value may be provided. In this case, since the electric cylinder system can determine whether or not the calibration has been properly performed by the determination unit, the working time can be shortened as compared with the case where the operator determines.
  • the output unit corrects the load value corresponding to the measured load value determined that the difference is not less than or equal to the threshold value.
  • the storage unit stores the correction value output by the output unit
  • the calibration unit stores the load value according to the output value detected by the distortion detector based on the correction value stored in the storage unit.
  • the correction value output by the output unit may satisfy the relationship of the mathematical formula (2).
  • C d is the correction value
  • x d is the load value to be corrected
  • y d is the reference load value corresponding to the load value x d
  • x 1 and x 2 are the measured load values at two points in the vicinity of the load value x d.
  • Y 1 and y 2 are reference load values corresponding to the measured load values x 1 and x 2.
  • the electric cylinder system for a load value for which it is difficult to approximate the correspondence between the reference load value and the measured load value by the least squares method, the measured load value and the reference load value at two points in the vicinity of the load value.
  • the correction amount can be calculated using. Therefore, this electric cylinder system can more accurately calibrate the output of the strain detector that detects the load of the electric cylinder.
  • the output of the strain detector that detects the load of the electric cylinder can be easily calibrated.
  • FIG. 1 is a schematic view showing an example of an electric cylinder system according to an embodiment.
  • the electric cylinder system 100 shown in FIG. 1 presses a work (not shown) to perform molding or press-fitting.
  • the electric cylinder system 100 includes an electric cylinder 1.
  • the electric cylinder 1 is fixed to the frame.
  • the electric cylinder 1 has a rod 1a that presses the work.
  • the work is installed on the work base of the frame, and the rod 1a of the electric cylinder 1 is extended to be pressed between the work base and the tip of the rod 1a.
  • the electric cylinder 1 has a strain detector 2 that outputs a value corresponding to a load applied to the rod 1a.
  • the strain detector 2 is a load cell as an example.
  • the strain detector 2 outputs, for example, a voltage value (an example of an output value) corresponding to a load applied to the rod 1a.
  • the strain detector 2 is not limited to a configuration that outputs a voltage value, and may output a value converted into a current value or the like.
  • the electric cylinder 1 transmits the rotational driving force of the motor 3 to the rod 1a side via the rotational transmission mechanism 4 and converts it into a linear driving force to expand and contract the rod 1a in the vertical direction.
  • the motor 3 is configured to be communicable with the motor driver 5, and operates based on a signal from the motor driver 5.
  • the motor driver 5 is a servo amplifier as an example. A signal corresponding to the shaft rotation angle of the motor 3 is input to the motor driver 5 via the encoder.
  • the motor driver 5 applies a current to the motor body based on the signal input from the encoder to control the operation of the motor 3.
  • the motor driver 5 is connected to the servo controller 6.
  • the servo controller 6 is, for example, a programmable logic controller.
  • the servo controller 6 is a general-purpose computer having, for example, a computing device such as a CPU (Central Processing Unit), a storage device such as a ROM (Read Only Memory), a RAM (Random Access Memory), and an HDD (Hard Disk Drive), and a communication device. It may be composed of a computer.
  • a strain detector 2 is connected to the servo controller 6, and a voltage value or a current value output by the strain detector 2 is input.
  • the servo controller 6 amplifies and A / D-converts the input voltage value or current value, and converts it into a load value.
  • the strain detector 2 may fluctuate the output when no load is applied or the output when a load is applied may deviate from the actual load value due to aging or the like. Therefore, the servo controller 6 calibrates the load value according to the voltage value detected by the strain detector 2, and operates the motor driver 5 with the calibrated load value.
  • FIG. 2 is a block diagram showing an example of the functions of the electric cylinder system. As shown in FIG. 2, the servo controller 6 includes a storage unit 60 and a calibration unit 61.
  • the storage unit 60 stores the calibration parameters. Examples of calibration parameters are gain and offset values.
  • the calibration unit 61 refers to the storage unit 60 and subtracts the offset value from the load value corresponding to the voltage value detected by the strain detector 2.
  • the calibration unit 61 divides the load value obtained by subtracting the offset value by the gain value to obtain the calibrated load value.
  • the calibration unit 61 may add or subtract an offset value to the voltage value detected by the strain detector 2, multiply it by the gain value, and then convert it into a load value.
  • the servo controller 6 determines the instruction to the motor driver 5 based on the calibrated load value. For example, when the target load value is 3 kN, the servo controller 6 operates the motor driver 5 until the calibrated load value becomes 3 kN.
  • the electric cylinder system 100 includes a calibration strain detector 7, an amplifier 8, and a control device 9.
  • the calibration strain detector 7, the amplifier 8, and the control device 9 are included in the electric cylinder system 100 during the calibration work, and may be removed at the end of the calibration work.
  • the calibration strain detector 7 outputs a voltage value corresponding to the load by being directly pressed by the rod 1a.
  • the calibration distortion detector 7 is connected to the amplifier 8 and outputs a voltage value to the amplifier 8.
  • the amplifier 8 amplifies the signal of the voltage value output by the calibration distortion detector 7.
  • the amplifier 8 converts the voltage value or current value output by the calibration strain detector 7 into a load value.
  • the amplifier 8 is connected to the servo controller 6 and the control device 9, and outputs a signal of the amplified voltage value to the servo controller 6 and the control device 9.
  • the control device 9 is composed of, for example, a general-purpose computer having an arithmetic unit such as a CPU, a storage device such as a ROM, RAM, and an HDD, and a communication device.
  • the control device 9 is connected to the servo controller 6 and the amplifier 8.
  • the control device 9 acquires the load value detected by the strain detector 2 from the servo controller 6, and the amplifier 8 converts the voltage value detected by the calibration strain detector 7 into a load value.
  • the control device 9 may acquire a load value corresponding to the voltage value detected by the calibration strain detector 7 from the servo controller 6. In this case, the servo controller 6 acquires the voltage value detected by the calibration strain detector 7 from the amplifier 8 and converts it into a load value.
  • the load value corresponding to the voltage value detected by the strain detector 2 during the calibration work is used as the measured load value
  • the load value corresponding to the voltage value detected by the calibration strain detector 7 during the calibration work is used as a reference. Also called load value.
  • the control device 9 includes an output unit 90.
  • the output unit 90 determines a gain value and an offset value (the above-mentioned calibration parameter) for bringing the measured load value closer to the reference load value based on the reference load value and the measured load value. Specifically, the output unit 90 determines the gain value and the offset value by approximating the correspondence between the reference load value and the measured load value by the least squares method.
  • the output unit 90 outputs the determined calibration parameter to the servo controller 6.
  • the servo controller 6 stores the acquired calibration parameters in the storage unit 60.
  • the servo controller 6 operates the electric cylinder using the calibration parameters determined by the control device 9.
  • the servo controller 6 operates the electric cylinder, presses the calibration strain detector again, and calibrates the measured load value using the calibration parameters determined by the control device 9.
  • the control device 9 acquires the measured load value after calibration.
  • the control device 9 includes a determination unit 91 for determining whether or not the calibration has been performed with high accuracy.
  • the determination unit 91 determines whether or not the difference between the reference load value and the measured load value after calibration is equal to or less than the threshold value.
  • the threshold value is a threshold value for determining whether or not the calibration has been performed with high accuracy, and is set in advance.
  • the threshold value is set as, for example, a value obtained by adding or subtracting a predetermined load value from the reference load value.
  • the output unit 90 of the control device 9 determines that the difference is not less than or equal to the threshold value after calibration. Outputs the correction value for correcting the measured load value. For example, it is assumed that the load values targeted for measurement are 3 kN, 6 kN, 12 kN, 18 kN, and 23 kN. Then, it is assumed that when the load values to be measured are 18 kN and 23 kN, it is determined that the difference between the reference load value and the measured load value after calibration is not equal to or less than the threshold value.
  • the output unit 90 outputs a correction value for correcting the measured load value after calibration corresponding to the measurement target load values of 18 kN and 23 kN.
  • the output unit 90 linearly interpolates using two measurement points in the vicinity of the measured load value of 18 kN after calibration in a coordinate space with the horizontal axis as the measured load value after calibration and the vertical axis as the reference load value.
  • the reference load value corresponding to the measured load value after calibration is calculated, and the correction amount of the measured load value after calibration is determined so as to be the calculated reference load value.
  • the correction amount is determined by the same method for the measured load value of 23 kN.
  • FIG. 3 is a flowchart illustrating the calibration operation of the electric cylinder system. The flowchart shown in FIG. 3 is executed by the servo controller 6 and the control device 9.
  • the servo controller 6 resets the calibration parameters stored in the storage unit 60 as the initialization process (step S10). Subsequently, the servo controller 6 simultaneously measures the measured load value and the reference load value at a plurality of measurement points as the measurement process (step S12). Details of the measurement process (step S12) are shown in FIG. FIG. 4 is a flowchart showing an example of the measurement process. As shown in FIG. 4, the servo controller 6 stores the current position (initial position) of the rod 1a (step S120).
  • the servo controller 6 determines whether or not the measured load is equal to or less than the rated thrust as a determination process (step S122).
  • the measured load is the load to be measured, and the rated thrust is the force that can be pressed from a stationary state.
  • the measured load can be applied from the current position of the rod 1a.
  • the measured load is not less than the rated thrust (step S122: NO)
  • the measured load cannot be applied from the current position of the rod 1a. Therefore, when the measured load is not equal to or less than the rated thrust (step S122: NO), the servo controller 6 moves the rod 1a to the initial position as a movement process (step S124).
  • step S122 When the measured load is equal to or less than the rated thrust (step S122: YES) and when the movement process (S124) is completed, the servo controller 6 moves the rod until the measured load is reached as the pressing process (step S126). .. Then, the servo controller 6 holds the load for 5 seconds with the measured load as the holding process (step S128). At this time, the servo controller 6 measures the measured load value via the strain detector 2 and at the same time measures the reference load value via the calibration strain detector 7.
  • the servo controller 6 determines whether or not all the measurements have been completed as the end confirmation process (step S130). For example, a plurality of measured loads are preset before the execution of the flowchart shown in FIG. The servo controller 6 determines whether or not the processes S122 to S128 have been performed for all the set measured loads. The servo controller 6 repeatedly executes steps S122 to S128 until it is determined that the processes S122 to S128 have been performed for all the measured loads.
  • step S130 When it is determined in the end confirmation process (step S130) that the processes S122 to S128 have been performed for all the measured loads, the servo controller 6 moves the rod 1a to the initial position as the move process (step S132). When the movement process (step S132) is completed, the measurement process shown in FIG. 4 is completed.
  • the control device 9 calculates the calibration parameter using the least squares method as the calculation process (step S14). Controller 9, a load value (measured weight value) x i of the rod 1a at the measurement point i, and calculates the load value of the calibration distortion detector 7 (reference load value) as y i. First, the control device 9 calculates an error (y i- x i) at each measurement point. Then, data with a large error (outliers) is excluded from the operation of the least squares method. The reason is that the data with a large error increases the variance and reduces the reliability of the approximation line. The control device 9 calculates data that satisfies the equation (3).
  • F max is the maximum thrust and th is the threshold value.
  • the threshold value th is a preset value.
  • control unit 9 calculates the average of the measured load value x i, the average of the reference load value y i, the variance of the measured load value x i, the covariance between the measured load value x i and the reference load value y i .. They are shown in order as mathematical formulas (4) to (7).
  • s x is the dispersion value of the measured load value
  • s xy is the covariance value of the measured load value and the reference load value
  • X is the average value of the measured load values
  • Y is the average value of the reference load values.
  • the control device 9 calculates the calibration parameters as in the following mathematical formulas (8).
  • a is a gain value and b is an offset value.
  • the mathematical formula (8) is an example in which the least squares method is applied on the assumption that the relationship between the measured load value x i and the reference load value y i is a straight line.
  • the control device 9 may apply the least squares method on the assumption that the relationship between the measured load value x i and the reference load value y i is represented by a line of the nth order equation.
  • the relationship between the measured load value x i and the reference load value y i can be generalized by the following mathematical formula (9).
  • f (x) is a reference load value
  • g k (x) is a measured load value
  • f (x) is expressed by the following mathematical formula (10).
  • a 1 is the offset value of the formula (10), a 2 ⁇ a n is the gain value.
  • the servo controller 6 stores the gain value a and the offset value b as calibration parameters in the storage unit 60 as a storage process (step S16). Then, the servo controller 6 simultaneously measures the measured load value and the reference load value at a plurality of measurement points by the same method as the measurement process (step S12) as the confirmation operation process (step S18). The servo controller 6 calibrates the measured load value obtained in the confirmation operation process (step S18) by using the calibration parameters stored in the storage process (step S16).
  • the control device 9 has an error (y i- x) between the measured load value x i after calibration obtained in the confirmation operation process (step S18) and the reference load value y i. i ) is calculated, and if the error is equal to or less than the threshold value, it is determined that the calibration has been performed with high accuracy. If the error is not less than or equal to the threshold value, it is determined that the calibration is not performed accurately.
  • the evaluation process (step S20) is completed, the flowchart shown in FIG. 3 is completed.
  • FIG. 5 is a flowchart showing an example of the correction operation.
  • the flowchart shown in FIG. 5 is executed, for example, when it is determined in the evaluation process (step S20) of FIG. 3 that the calibration is not executed accurately.
  • the control device 9 specifies the load value to be corrected as the target determination process (step S30).
  • the control device 9 identifies the measured load value that is determined in the evaluation process (step S20) of FIG. 3 that the calibration is not performed accurately.
  • control device 9 calculates a linear correction amount with respect to the measured load value specified in the target determination process (step S30) (step S32).
  • the control device 9 calculates a reference load value corresponding to the measured load value to be corrected by linear interpolation from two measurement points in the vicinity. When the measured load value to be corrected is not included in the range between the two neighboring points, the control device 9 obtains it by linear extrapolation.
  • the control device 9 calculates the reference load value y d corresponding to the measured load value x d to be corrected as in the mathematical formula (11).
  • x 1 and x 2 are measured load values at two points in the vicinity of the load value x d
  • y 1 and y 2 are reference load values corresponding to the measured load values x 1 and x 2. Then, as shown in the mathematical formula (12), the control device 9 sets the difference between the reference load value y d and the measured load value x d as the linearity correction value C d .
  • the servo controller 6 stores the correction value C d as a calibration parameter in the storage unit 60 as a storage process (step S34). Then, the servo controller 6 simultaneously measures the measured load value and the reference load value at a plurality of measurement points by the same method as the measurement process (step S12) as the confirmation operation process (step S36). The servo controller 6 calibrates the measured load value obtained in the confirmation operation process (step S36) using the calibration parameters, and uses the correction value C d stored in the storage process (step S34) to set the correction target. Correct the measured load value.
  • control device 9 performs the evaluation process (step S38) as an error (y i- x ) between the corrected measured load value x i and the reference load value y i obtained in the confirmation operation process (step S36). i ) is calculated, and if the error is equal to or less than the threshold value, it is determined that the calibration has been performed with high accuracy. If the error is not less than or equal to the threshold value, it is determined that the calibration is not performed accurately.
  • the evaluation process (step S38) is completed, the flowchart shown in FIG. 5 is completed.
  • the load value corresponding to the output value of the strain detector 2 is calibrated based on the gain value a and the offset value b output by the output unit 90. Since the gain value a and the offset value b output by the output unit 90 satisfy the relationship shown in the above equation (1), the calibration unit 61 uses the least squares method for the correspondence between the reference load value and the measured load value. The difference between the reference load value and the measured load value can be calibrated by regarding the relationship as being approximated to a straight line. Therefore, according to this electric cylinder system 100, the correspondence relationship between the reference load value and the measured load value can be derived only by measuring the measured load value corresponding to the reference load value several times. Compared with the case of finely adjusting the gain value and the offset value of the amplifier, the output of the strain detector 2 for detecting the load of the electric cylinder 1 can be easily calibrated.
  • the working time can be shortened as compared with the case where the operator determines.
  • the electric cylinder system 100 for a load value for which it is difficult to approximate the correspondence between the reference load value and the measured load value by the least squares method, the measured load value and the reference load value at two points in the vicinity of the load value are obtained.
  • the correction amount can be calculated using. Therefore, the electric cylinder system 100 can more accurately calibrate the output of the strain detector 2 that detects the load of the electric cylinder 1.
  • the servo controller 6 and the control device 9 described above may be logically or physically integrated.
  • the calibration parameters stored in the storage unit 60 may satisfy the relationship of the mathematical formula (1) and may be derived by a method other than that described in the examples.
  • a load value, an error, a gain value, an offset value, and a correction value may be stored in a database and calculated by machine learning using these as teacher data.
  • the calculation described in the embodiment is not limited to the case where the control device 9 executes a program and is realized, for example, the calculation may be realized by a logic circuit, or is a circuit in which the logic circuit is integrated. It may be realized.

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Abstract

ワークを押圧するロッドと、ロッドに加わる荷重に応じた値を出力する歪検出器とを有する電動シリンダと、ロッドが校正用歪検出器を押圧したときの校正用歪検出器の出力値に応じた基準荷重値と、ロッドが校正用歪検出器を押圧したときの歪検出器の出力値に応じた測定荷重値とに基づいて、測定荷重値を基準荷重値に近づけるためのゲイン及びオフセットを出力する出力部と、出力部により出力されたゲイン及びオフセットを校正パラメータとして記憶する記憶部と、記憶部に記憶された校正パラメータに基づいて歪検出器により検出される出力値に応じた荷重値を校正する校正部と、を備え、出力部により出力されたゲイン及びオフセットは、予め定められた関係を満たす。

Description

電動シリンダシステム
　本開示は、電動シリンダシステムに関する。
　特許文献１は、ラムを動作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と、ロードセルを校正する制御部とを備える。制御部は、ロードセルのアンプのゲイン値とオフセット値とを調整する。具体的には、制御部は、定格荷重の３０％をかけたときのアンプの出力値と定格荷重の６０％をかけたときのアンプの出力値とが各規定範囲内に収まると判定されるまで、アンプのゲイン値の微調整とオフセット値の微調整とを繰り返し行う。規定範囲は、初期に取得された荷重値又は校正用ロードセルの検出値を用いて決定される。
特開２０１７－１５９３２４号公報
　特許文献１に記載の電動プレスは、結果を確認しながらロードセルのアンプのゲイン値及びオフセット値を微調整する必要があるため、校正に時間がかかるおそれがある。本開示は、電動シリンダの荷重を検出する歪検出器の出力を簡易に校正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、ワークを押圧するロッドと、ロッドに加わる荷重に応じた値を出力する歪検出器とを有する電動シリンダと、ロッドが校正用歪検出器を押圧したときの校正用歪検出器の出力値に応じた基準荷重値と、ロッドが校正用歪検出器を押圧したときの歪検出器の出力値に応じた測定荷重値とに基づいて、測定荷重値を基準荷重値に近づけるためのゲイン値及びオフセット値を出力する出力部と、出力部により出力されたゲイン値及びオフセット値を校正パラメータとして記憶する記憶部と、記憶部に記憶された校正パラメータに基づいて歪検出器により検出される出力値に応じた荷重値を校正する校正部と、を備え、出力部により出力されたゲイン値及びオフセット値は、数式（１）の関係を満たす。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
 ここで、ａはゲイン値、ｂはオフセット値、ｓｘは測定荷重値の分散値、ｓｘｙは測定荷重値及び基準荷重値の共分散値、Ｘは測定荷重値の平均値、Ｙは基準荷重値の平均値である。
　この電動シリンダシステムによれば、出力部によって出力されるゲイン値ａ及びオフセット値ｂに基づいて歪検出器の出力値に応じた荷重値が校正される。出力部によって出力されるゲイン値ａ及びオフセット値ｂは数式（１）に示される関係を満たすため、校正部は、基準荷重値と測定荷重値との対応関係が最小二乗法で直線に近似された関係であるとみなして、基準荷重値と測定荷重値との差分を校正できる。よって、この電動シリンダシステムによれば、基準荷重値に対応する測定荷重値を数回測定するだけで基準荷重値と測定荷重値との対応関係を導出できるため、結果を確認しながらロードセルのアンプのゲイン値及びオフセット値を微調整する場合と比べて、電動シリンダの荷重を検出する歪検出器の出力を簡易に校正できる。
　一実施形態においては、基準荷重値と校正部による校正後の測定荷重値との差分が閾値以下であるか否かを判定する判定部を備えてもよい。この場合、電動シリンダシステムは、校正が適切に行われたか否かを判定部によって判定することができるため、作業員が判断する場合と比べて作業時間を短縮できる。
　一実施形態においては、出力部は、判定部によって差分が閾値以下でないと判定された場合には、差分が閾値以下でないと判定された測定荷重値に対応する荷重値を補正するための補正値を出力し、記憶部は、出力部により出力された補正値を記憶し、校正部は、記憶部に記憶された補正値に基づいて、歪検出器により検出される出力値に応じた荷重値を補正し、出力部により出力された補正値は、数式（２）の関係を満たしてもよい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
 ここで、Ｃｄは補正値、ｘｄは補正対象の荷重値、ｙｄは荷重値ｘｄに対応する基準荷重値、ｘ１，ｘ２は荷重値ｘｄの近傍二点の測定荷重値、ｙ１，ｙ２は測定荷重値ｘ１，ｘ２に対応する基準荷重値である。
　この場合、電動シリンダシステムは、基準荷重値と測定荷重値との対応関係を最小二乗法で近似することが困難な荷重値については、当該荷重値の近傍二点の測定荷重値及び基準荷重値を用いて補正量を算出できる。よって、この電動シリンダシステムは、電動シリンダの荷重を検出する歪検出器の出力をより正確に校正できる。
　本開示に係る電動シリンダシステムによれば、電動シリンダの荷重を検出する歪検出器の出力を簡易に校正できる。
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。 電動シリンダシステムの機能の一例を示すブロック図である。 電動シリンダシステムの校正動作の一例を示すフローチャートである。 計測処理の一例を示すフローチャートである。 補正動作の一例を示すフローチャートである。
　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。図１に示されるように、電動シリンダシステム１００は、電動シリンダ１を備える。電動シリンダ１は、フレームに固定される。電動シリンダ１は、ワークを押圧するロッド１ａを有する。ワークは、フレームのワーク台に設置され、電動シリンダ１のロッド１ａが伸長することで、ワーク台とロッド１ａ先端との間で押圧される。
　電動シリンダ１は、ロッド１ａに加わる荷重に応じた値を出力する歪検出器２を有する。歪検出器２は、一例としてロードセルである。歪検出器２は、例えば、ロッド１ａに加わる荷重に応じた電圧値（出力値の一例）を出力する。歪検出器２は、電圧値を出力する構成に限定されず、電流値などに変換された値を出力してもよい。
　電動シリンダ１は、モータ３の回転駆動力を、回転伝達機構４を介してロッド１ａ側に伝達し、直線駆動力に変換することでロッド１ａを上下方向に伸縮させる。モータ３は、モータドライバ５と通信可能に構成され、モータドライバ５からの信号に基づいて動作する。モータドライバ５は、一例としてサーボアンプである。モータドライバ５には、モータ３のシャフト回転角に応じた信号がエンコーダを介して入力される。モータドライバ５は、エンコーダから入力された信号に基づいてモータ本体に電流を印加し、モータ３の動作を制御する。
　モータドライバ５は、サーボコントローラ６に接続される。サーボコントローラ６は、例えばプログラマブルロジックコントローラである。サーボコントローラ６は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）などの演算装置、ＲＯＭ（Read Only 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。サーボコントローラ６は、歪検出器２が接続され、歪検出器２により出力された電圧値又は電流値が入力される。サーボコントローラ６は、入力した電圧値又は電流値を増幅及びＡ／Ｄ変換し、荷重値に換算する。
　歪検出器２は、経年変化などによって、荷重がかかっていないときの出力が変動したり、荷重がかかったときの出力が実際の荷重値からずれたりするおそれがある。このため、サーボコントローラ６は、歪検出器２により検出される電圧値に応じた荷重値を校正し、校正した荷重値でモータドライバ５を動作させる。図２は、電動シリンダシステムの機能の一例を示すブロック図である。図２に示されるように、サーボコントローラ６は、記憶部６０及び校正部６１を備える。記憶部６０は、校正パラメータを記憶する。校正パラメータの一例は、ゲイン値及びオフセット値である。校正部６１は、記憶部６０を参照し、歪検出器２により検出される電圧値に応じた荷重値に対してオフセット値を減算する。そして、校正部６１は、オフセット値が減算された荷重値を、ゲイン値で除算することにより、校正された荷重値とする。なお、校正部６１は、歪検出器２により検出される電圧値に対してオフセット値を加減算し、ゲイン値で乗算し、その後、荷重値に変換してもよい。
　図１に戻り、サーボコントローラ６は、校正された荷重値に基づいてモータドライバ５への指示を決定する。例えば、サーボコントローラ６は、目標荷重値が３ｋＮである場合には、校正された荷重値が３ｋＮとなるまでモータドライバ５を動作させる。
　上述した校正パラメータを決定するために、電動シリンダシステム１００は、校正用歪検出器７、アンプ８、及び制御装置９を備える。校正用歪検出器７、アンプ８、及び制御装置９は、校正の作業時に電動シリンダシステム１００に含まれ、校正の作業終了時には取り外されてもよい。校正用歪検出器７は、ロッド１ａに直接押圧されることで荷重に応じた電圧値を出力する。校正用歪検出器７は、アンプ８に接続され、電圧値をアンプ８へ出力する。アンプ８は、校正用歪検出器７により出力された電圧値の信号を増幅する。アンプ８は校正用歪検出器７によって出力された電圧値又は電流値を荷重値に変換する。アンプ８は、サーボコントローラ６及び制御装置９に接続され、増幅された電圧値の信号をサーボコントローラ６及び制御装置９へ出力する。
　制御装置９は、例えば、ＣＰＵなどの演算装置、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ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る。制御装置９は、サーボコントローラ６及びアンプ８に接続される。制御装置９は、歪検出器２により検出された荷重値をサーボコントローラ６から取得するとともに、校正用歪検出器７により検出された電圧値をアンプ８が荷重値に変換する。制御装置９は、サーボコントローラ６から校正用歪検出器７により検出された電圧値に対応する荷重値を取得してもよい。この場合、サーボコントローラ６が、校正用歪検出器７により検出された電圧値をアンプ８から取得し、荷重値に変換する。以下では、校正作業中において歪検出器２により検出された電圧値に対応する荷重値を測定荷重値、校正作業中において校正用歪検出器７により検出された電圧値に対応する荷重値を基準荷重値ともいう。
　制御装置９は、出力部９０を備える。出力部９０は、基準荷重値と測定荷重値とに基づいて、測定荷重値を基準荷重値に近づけるためのゲイン値及びオフセット値（上述した校正パラメータ）を決定する。具体的には、出力部９０は、基準荷重値と測定荷重値との対応関係を最小二乗法で近似することで、ゲイン値及びオフセット値を決定する。出力部９０は、決定した校正パラメータをサーボコントローラ６へ出力する。サーボコントローラ６は、取得した校正パラメータを記憶部６０に格納する。サーボコントローラ６は、制御装置９によって決定された校正パラメータを用いて電動シリンダを動作させる。
　サーボコントローラ６は、電動シリンダを動作させ、校正用歪検出器を再度押圧し、制御装置９によって決定された校正パラメータを用いて測定荷重値を校正する。制御装置９は、校正後の測定荷重値を取得する。制御装置９は、校正が精度良く行われたか否かを判定するために判定部９１を備える。判定部９１は、基準荷重値と校正後の測定荷重値との差分が閾値以下であるか否かを判定する。閾値は、校正が精度良く行われたか否かを判定するための閾値であり、予め設定される。閾値は、例えば基準荷重値から所定の荷重値を加算または減算した値として設定される。
　制御装置９の出力部９０は、判定部９１によって基準荷重値と校正後の測定荷重値との差分が閾値以下でないと判定された場合には、差分が閾値以下でないと判定された校正後の測定荷重値を補正するための補正値を出力する。例えば、計測目標とする荷重値が３ｋＮ、６ｋＮ、１２ｋＮ、１８ｋＮ、２３ｋＮであるとする。そして、計測目標とする荷重値が１８ｋＮ及び２３ｋＮのときに基準荷重値と校正後の測定荷重値との差分が閾値以下でないと判定されたとする。この場合、出力部９０は、計測目標とする荷重値１８ｋＮ及び２３ｋＮに対応する校正後の測定荷重値を補正するための補正値を出力する。出力部９０は、横軸を校正後の測定荷重値、縦軸を基準荷重値とした座標空間において、校正後の測定荷重値１８ｋＮの近傍の２つの測定点を用いて線形補間することにより、校正後の測定荷重値に対応する基準荷重値を算出し、算出された基準荷重値となるように校正後の測定荷重値の補正量を決定する。測定荷重値２３ｋＮについても同一の手法で補正量を決定する。これにより、基準荷重値と測定荷重値との関係が最小二乗法で十分に近似できない荷重値については、個々に補正量を算出することで、校正の精度を向上できる。
［電動シリンダシステムの校正動作］
　図３は、電動シリンダシステムの校正動作を説明するフローチャートである。図３に示されるフローチャートは、サーボコントローラ６及び制御装置９によって実行される。
　図３に示されるように、最初に、サーボコントローラ６は、初期化処理（ステップＳ１０）として、記憶部６０に記憶された校正パラメータをリセットする。続いて、サーボコントローラ６は、計測処理（ステップＳ１２）として、複数の計測点において測定荷重値と基準荷重値とを同時に計測する。計測処理（ステップＳ１２）の詳細は、図４に示される。図４は、計測処理の一例を示すフローチャートである。図４に示されるように、サーボコントローラ６は、ロッド１ａの現在位置（初期位置）を記憶する（ステップＳ１２０）。
　続いて、サーボコントローラ６は、判定処理（ステップＳ１２２）として、計測荷重が定格推力以下であるか否かを判定する。計測荷重とは、計測目標とする荷重であり、定格推力とは、静止状態から押圧可能な力である。計測荷重が定格推力以下である場合（ステップＳ１２２：ＹＥＳ）、ロッド１ａの現在位置から計測荷重を付与できる。一方、計測荷重が定格推力以下でない場合（ステップＳ１２２：ＮＯ）、ロッド１ａの現在位置から計測荷重を付与できない。このため、計測荷重が定格推力以下でない場合（ステップＳ１２２：ＮＯ）には、サーボコントローラ６は、移動処理（ステップＳ１２４）として初期位置へロッド１ａを移動させる。
　計測荷重が定格推力以下である場合（ステップＳ１２２：ＹＥＳ）、及び、移動処理（Ｓ１２４）が完了した場合、サーボコントローラ６は、押圧処理（ステップＳ１２６）として、計測荷重となるまでロッドを移動させる。そして、サーボコントローラ６は、保持処理（ステップＳ１２８）として、計測荷重で５秒間荷重を保持する。このとき、サーボコントローラ６は、歪検出器２を介して測定荷重値を測定すると同時に、校正用歪検出器７を介して基準荷重値を測定する。
　続いて、サーボコントローラ６は、終了確認処理（ステップＳ１３０）として、全ての計測が完了したか否かを判定する。例えば、図４に示されるフローチャートの実行前に、複数の計測荷重が予め設定される。サーボコントローラ６は、設定された全ての計測荷重に対してＳ１２２～Ｓ１２８の処理がなされたか否かを判定する。サーボコントローラ６は、全ての計測荷重に対してＳ１２２～Ｓ１２８の処理がなされたと判定されるまで、ステップＳ１２２～ステップＳ１２８を繰り返し実行する。
　終了確認処理（ステップＳ１３０）において、全ての計測荷重に対してＳ１２２～Ｓ１２８の処理がなされたと判定した場合、サーボコントローラ６は、移動処理（ステップＳ１３２）として、ロッド１ａを初期位置へ移動させる。移動処理（ステップＳ１３２）が終了すると、図４に示される計測処理が終了する。
　図３に戻り、計測処理（ステップＳ１２）が終了すると、制御装置９は、演算処理（ステップＳ１４）として、最小二乗法を用いて校正パラメータを演算する。制御装置９は、計測点ｉでのロッド１ａの荷重値（測定荷重値）をｘｉ、校正用歪検出器７の荷重値（基準荷重値）をｙｉとして演算する。最初に、制御装置９は、各計測点での誤差（ｙｉ－ｘｉ）を算出する。そして、誤差の大きいデータ（外れ値）を最小二乗法の演算から除外する。その理由は、誤差の大きいデータによって分散が大きくなり、近似線の信頼性が下がるためである。制御装置９は、式（３）を満たすデータを計算対象とする。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
 ここで、Ｆｍａｘは最大推力であり、ｔｈは閾値である。閾値ｔｈは予め設定された値である。
　次に、制御装置９は、測定荷重値ｘｉの平均、基準荷重値ｙｉの平均、測定荷重値ｘｉの分散、測定荷重値ｘｉと基準荷重値ｙｉとの共分散を算出する。順に数式（４）～（７）として示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
 ここで、ｓｘは測定荷重値の分散値、ｓｘｙは測定荷重値及び基準荷重値の共分散値、Ｘは測定荷重値の平均値、Ｙは基準荷重値の平均値である。
　数式（４）～（７）に基づいて、制御装置９は、校正パラメータを以下の数式（８）のように演算する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
 ここで、ａはゲイン値、ｂはオフセット値である。
　なお、数式（８）は、測定荷重値ｘｉと基準荷重値ｙｉとの関係が直線であると仮定して最小二乗法を適用した例である。制御装置９は、測定荷重値ｘｉと基準荷重値ｙｉとの関係がｎ次式の線で表現されると仮定して最小二乗法を適用してもよい。この場合、測定荷重値ｘｉと基準荷重値ｙｉとの関係は、以下の数式（９）で一般化することができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
 ここで、ｆ（ｘ）は基準荷重値、ｇｋ（ｘ）は測定荷重値である。ｇｋ（ｘ）＝ｘｋ－１とした場合、ｆ（ｘ）は以下の数式（１０）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
 式（１０）のａ１がオフセット値、ａ２～ａｎがゲイン値となる。
　サーボコントローラ６は、記憶処理（ステップＳ１６）として、ゲイン値ａ及びオフセット値ｂを校正パラメータとして記憶部６０に記憶する。そして、サーボコントローラ６は、確認動作処理（ステップＳ１８）として、計測処理（ステップＳ１２）と同一の手法で、複数の計測点において測定荷重値と基準荷重値とを同時に計測する。サーボコントローラ６は、記憶処理（ステップＳ１６）にて記憶された校正パラメータを用いて、確認動作処理（ステップＳ１８）で得られた測定荷重値を校正する。
　続いて、制御装置９は、評価処理（ステップＳ２０）として、確認動作処理（ステップＳ１８）にて得られた校正後の測定荷重値ｘｉと基準荷重値ｙｉとの誤差（ｙｉ－ｘｉ）を算出し、誤差が閾値以下であれば、校正が精度良く実行されたと判定する。誤差が閾値以下でない場合には、校正が精度良く実行されていないと判定する。評価処理（ステップＳ２０）が終了すると、図３に示されるフローチャートは終了する。
　次に、制御装置９の補正動作について説明する。図５は、補正動作の一例を示すフローチャートである。図５に示されるフローチャートは、例えば、図３の評価処理（ステップＳ２０）において、校正が精度良く実行されていないと判定された場合に実行される。
　図５に示されるように、最初に、制御装置９は、対象判定処理（ステップＳ３０）として、補正対象となる荷重値を特定する。制御装置９は、図３の評価処理（ステップＳ２０）において校正が精度良く実行されていないと判定された測定荷重値を特定する。
　続いて、制御装置９は、対象判定処理（ステップＳ３０）にて特定された測定荷重値に対して線形補正量を算出する（ステップＳ３２）。制御装置９は、補正対象となる測定荷重値に対応する基準荷重値を近傍二点の測定点から線形補間によって算出する。制御装置９は、近傍二点間の範囲内に補正対象となる測定荷重値が含まれない場合は、線形補外によって求める。制御装置９は、補正対象となる測定荷重値ｘｄに対応する基準荷重値ｙｄを数式（１１）のように算出する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
 ここで、ｘ１，ｘ２は荷重値ｘｄの近傍二点の測定荷重値、ｙ１，ｙ２は測定荷重値ｘ１，ｘ２に対応する基準荷重値である。そして、制御装置９は、数式（１２）のように、基準荷重値ｙｄと測定荷重値ｘｄとの差を直線性の補正値Ｃｄとする。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
　サーボコントローラ６は、記憶処理（ステップＳ３４）として、補正値Ｃｄを校正パラメータとして記憶部６０に記憶する。そして、サーボコントローラ６は、確認動作処理（ステップＳ３６）として、計測処理（ステップＳ１２）と同一の手法で、複数の計測点において測定荷重値と基準荷重値とを同時に計測する。サーボコントローラ６は、校正パラメータを用いて確認動作処理（ステップＳ３６）で得られた測定荷重値を校正し、記憶処理（ステップＳ３４）にて記憶された補正値Ｃｄを用いて、補正対象となる測定荷重値を補正する。
　続いて、制御装置９は、評価処理（ステップＳ３８）として、確認動作処理（ステップＳ３６）にて得られた補正後の測定荷重値ｘｉと基準荷重値ｙｉとの誤差（ｙｉ－ｘｉ）を算出し、誤差が閾値以下であれば、校正が精度良く実行されたと判定する。誤差が閾値以下でない場合には、校正が精度良く実行されていないと判定する。評価処理（ステップＳ３８）が終了すると、図５に示されるフローチャートは終了する。
［実施形態のまとめ］
　以上、電動シリンダシステム１００によれば、出力部９０によって出力されるゲイン値ａ及びオフセット値ｂに基づいて歪検出器２の出力値に応じた荷重値が校正される。出力部９０によって出力されるゲイン値ａ及びオフセット値ｂは上述した数式（１）に示される関係を満たすため、校正部６１は、基準荷重値と測定荷重値との対応関係が最小二乗法で直線に近似された関係であるとみなして、基準荷重値と測定荷重値との差分を校正できる。よって、この電動シリンダシステム１００によれば、基準荷重値に対応する測定荷重値を数回測定するだけで基準荷重値と測定荷重値との対応関係を導出できるため、結果を確認しながらロードセルのアンプのゲイン値及びオフセット値を微調整する場合と比べて、電動シリンダ１の荷重を検出する歪検出器２の出力を簡易に校正できる。
　また、電動シリンダシステム１００は、校正が適切に行われたか否かを判定部９１によって判定することができるため、作業員が判断する場合と比べて作業時間を短縮できる。
　さらに、電動シリンダシステム１００は、基準荷重値と測定荷重値との対応関係を最小二乗法で近似することが困難な荷重値については、当該荷重値の近傍二点の測定荷重値及び基準荷重値を用いて補正量を算出できる。よって、電動シリンダシステム１００は、電動シリンダ１の荷重を検出する歪検出器２の出力をより正確に校正できる。
［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、上述したサーボコントローラ６及び制御装置９は、論理的又は物理的に一体であってもよい。また、記憶部６０に記憶された校正パラメータは、数式（１）の関係を満たせばよく、実施例で説明した以外の手法で導出されてもよい。例えば、荷重値、誤差、ゲイン値、オフセット値及び補正値をデータベース化し、これらを教師データとした機械学習で算出されてもよい。また、実施形態で説明された演算は、制御装置９がプログラムを実行して実現する場合だけでなく、例えば、論理回路により演算が実現されていてもよいし、当該論理回路を集積した回路で実現されてもよい。
　１００…電動シリンダシステム、１…電動シリンダ、１ａ…ロッド、２…歪検出器、６…サーボコントローラ、７…校正用歪検出器、９…制御装置。

Claims (3)

  1. 　ワークを押圧するロッドと、前記ロッドに加わる荷重に応じた値を出力する歪検出器とを有する電動シリンダと、
    　前記ロッドが校正用歪検出器を押圧したときの前記校正用歪検出器の出力値に応じた基準荷重値と、前記ロッドが前記校正用歪検出器を押圧したときの前記歪検出器の出力値に応じた測定荷重値とに基づいて、前記測定荷重値を前記基準荷重値に近づけるためのゲイン値及びオフセット値を出力する出力部と、
    　前記出力部により出力された前記ゲイン値及び前記オフセット値を校正パラメータとして記憶する記憶部と、
    　前記記憶部に記憶された前記校正パラメータに基づいて前記歪検出器により検出される出力値に応じた荷重値を校正する校正部と、
    を備え、
    　前記出力部により出力された前記ゲイン値及び前記オフセット値は、数式（１）の関係を満たす、電動シリンダシステム。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
     ここで、ａは前記ゲイン値、ｂは前記オフセット値、ｓｘは前記測定荷重値の分散値、ｓｘｙは前記測定荷重値及び前記基準荷重値の共分散値、Ｘは前記測定荷重値の平均値、Ｙは前記基準荷重値の平均値である。
  2. 　前記基準荷重値と前記校正部による校正後の前記測定荷重値との差分が閾値以下であるか否かを判定する判定部を備える、請求項１に記載の電動シリンダシステム。
  3. 　前記出力部は、前記判定部によって前記差分が閾値以下でないと判定された場合には、前記差分が閾値以下でないと判定された前記測定荷重値に対応する荷重値を補正するための補正値を出力し、
    　前記記憶部は、前記出力部により出力された前記補正値を記憶し、
    　前記校正部は、前記記憶部に記憶された前記補正値に基づいて、前記歪検出器により検出される出力値に応じた荷重値を補正し、
    　前記出力部により出力された前記補正値は、数式（２）の関係を満たす、請求項２に記載の電動シリンダシステム。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
     ここで、Ｃｄは前記補正値、ｘｄは補正対象の荷重値、ｙｄは荷重値ｘｄに対応する基準荷重値、ｘ１，ｘ２は荷重値ｘｄの近傍二点の測定荷重値、ｙ１，ｙ２は測定荷重値ｘ１，ｘ２に対応する基準荷重値である。
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