(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022143655
(43)【公開日】2022-10-03
(54)【発明の名称】アクチュエータ評価方法、アクチュエータ評価システム及び加振機評価システム
(51)【国際特許分類】
G01M 99/00 20110101AFI20220926BHJP
【FI】
G01M99/00 Z
【審査請求】未請求
【請求項の数】12
【出願形態】OL
(21)【出願番号】P 2021044295
(22)【出願日】2021-03-18
(71)【出願人】
【識別番号】319007240
【氏名又は名称】株式会社日立インダストリアルプロダクツ
(74)【代理人】
【識別番号】110001807
【氏名又は名称】弁理士法人磯野国際特許商標事務所
(72)【発明者】
【氏名】津野田 亘
(72)【発明者】
【氏名】辺見 真
(72)【発明者】
【氏名】弘中 浩二
(72)【発明者】
【氏名】吉村 浩晃
【テーマコード(参考)】
2G024
【Fターム(参考)】
2G024AD01
2G024BA11
2G024CA04
2G024CA11
2G024DA01
2G024DA08
2G024DA11
2G024EA13
2G024FA01
(57)【要約】
【課題】低コストで精度の高い加振機評価システムの加振機評価方法を提供する。
【解決手段】加振機評価方法は、評価用加振機10に反力を与える反力模擬用加振機20を有し、評価用加振機10の性能を評価する加振機評価システム100の加振機評価方法であって、評価用加振機10のピストン11を駆動する制御を行うとともに、ピストン11が受ける反力を模擬して反力模擬用加振機20に反力を出力させる制御を行う。反力は、水平平面において複数の評価用加振機をX軸方向またはXY軸方向に配設したときの複数の評価用加振機の反力である。また、反力は、複数の評価用加振機を鉛直方向に配設したときの複数の評価用加振機の反力である。
【選択図】
図2
【特許請求の範囲】
【請求項1】
評価用アクチュエータに反力を与える反力模擬用アクチュエータを有し、前記評価用アクチュエータの性能を評価するアクチュエータ評価システムのアクチュエータ評価方法であって、
前記評価用アクチュエータの可動部を駆動する制御を行うとともに、前記可動部が受ける反力を模擬して前記反力模擬用アクチュエータに前記反力を出力させる制御を行うことを特徴とするアクチュエータ評価方法。
【請求項2】
前記評価用アクチュエータの変位あるいは加速度をフィードバックして前記評価用アクチュエータをフィードバック制御し、前記評価用アクチュエータの出力に基づいて試験対象物を駆動したときの前記反力を求めて、前記反力模擬用アクチュエータを前記反力に基づいて制御する
ことを特徴とする請求項1に記載のアクチュエータ評価方法。
【請求項3】
前記評価用アクチュエータ及び前記反力模擬用アクチュエータは、1軸のアクチュエータである
ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載のアクチュエータ評価方法。
【請求項4】
前記反力は、水平平面において複数の前記評価用アクチュエータをX軸方向またはXY軸方向に配設したときの複数の前記評価用アクチュエータの反力である
ことを特徴とする請求項1に記載のアクチュエータ評価方法。
【請求項5】
前記反力は、複数の前記評価用アクチュエータを鉛直方向に配設したときの複数の前記評価用アクチュエータの反力である
ことを特徴とする請求項1に記載のアクチュエータ評価方法。
【請求項6】
評価用アクチュエータの性能を評価するアクチュエータ評価システムであって、
前記評価用アクチュエータに反力を与える反力模擬用アクチュエータと、
前記評価用アクチュエータ及び前記反力模擬用アクチュエータをサーボ制御するコントローラと、を備え、
前記コントローラは、前記評価用アクチュエータの可動部を駆動する制御を行うとともに、前記可動部が受ける反力を模擬して前記反力模擬用アクチュエータに前記反力を出力させる制御を行う
ことを特徴とするアクチュエータ評価システム。
【請求項7】
前記コントローラは、前記評価用アクチュエータの変位或いは加速度をフィードバックして前記評価用アクチュエータをフィードバック制御し、前記評価用アクチュエータの出力に基づいて試験対象物を駆動したときの前記反力を求めて、前記反力模擬用アクチュエータを前記反力に基づいて制御する
ことを特徴とする請求項6に記載のアクチュエータ評価システム。
【請求項8】
前記評価用アクチュエータ及び前記反力模擬用アクチュエータは、1軸のアクチュエータである
ことを特徴とする請求項6または請求項7に記載のアクチュエータ評価システム。
【請求項9】
前記反力は、水平平面において複数の前記評価用アクチュエータをX軸方向またはXY軸方向に配設したときの複数の前記評価用アクチュエータの反力である
ことを特徴とする請求項6に記載のアクチュエータ評価システム。
【請求項10】
前記反力は、複数の前記評価用アクチュエータを鉛直方向に配設したときの複数の前記評価用アクチュエータの反力である
ことを特徴とする請求項6に記載のアクチュエータ評価システム。
【請求項11】
評価用アクチュエータがロードセルを介して反力模擬用アクチュエータに接続し、測定力を基に評価用アクチュエータの性能を評価するアクチュエータ評価システムであって、
前記評価用アクチュエータ及び前記反力模擬用アクチュエータの動力は油圧であり、
前記評価用アクチュエータが組み込まれた加振試験装置における前記評価用アクチュエータが駆動した状態の反力を模擬し、前記反力模擬用アクチュエータにより前記模擬した反力を前記評価用アクチュエータに与えた状態でアクチュエータの性能評価を行う
ことを特徴とするアクチュエータ評価システム。
【請求項12】
評価用加振機の性能を評価する加振機評価システムであって、
前記評価用加振機に反力を与える反力模擬用加振機と、
前記評価用加振機及び前記反力模擬用加振機をサーボ制御するコントローラと、を備え、
前記コントローラは、前記評価用加振機の可動部を駆動する制御を行うとともに、前記可動部が受ける反力を模擬して前記反力模擬用加振機に前記反力を出力させる制御を行う
ことを特徴とする加振機評価システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、アクチュエータ評価方法、アクチュエータ評価システム及び加振機評価システムに関する。
【背景技術】
【0002】
工場、プラント、若しくは、試験設備等で用いられる産業用機器用の複数の加振機を有する加振システムが開発されている。加振システムの使用目的の一つに振動試験がある。これは、加振対象となる構造物などの供試体に動的な変位や荷重を与えてその挙動を観察することにより、信頼性の確認を行ったり、あるいは設計改良のためのデータを得るためのものである。このような振動試験にあっては、加振機で加える動的な変位や荷重の加振波形の再現性が重要である。なぜなら、振動試験の結果を有効に活用できるようにするには、当初想定した加振条件で正確に供試体を加振することが必要だからである。このため加振機について、所定の性能を満足する必要がある。これには、加振機の性能を評価するための試験装置または評価装置が必要となる。
【0003】
特許文献1では、加振機でないが制振ダンパの試験装置として、制振ダンパに入力される増幅倍率を一定に保ったまま、アクチュエータの変位を増幅しながら制振ダンパに入力し、加振性能の高速化により試験を良好に行える制振ダンパの試験装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
特許文献1のような制振ダンパの試験装置は、比較的装置が小型であるため試験設備として準備することは可能である。しかしながら、大型の加振システムの場合、加振機特性を把握するためには、実機相当の負荷が必要となり、解析計算も困難な問題が発生する。また、加振システムに開発中の加振機あるいはアクチュエータを組み込み試験する場合、開発コストが多大になるという課題を有する。
【0006】
本発明は、前記した課題を解決するためになされたものであり、低コストで精度の高いアクチュエータ評価方法、アクチュエータ評価システム及び加振機評価システムのシステムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
前記目的を達成するため、本発明のアクチュエータ評価方法は、評価用アクチュエータに反力を与える反力模擬用アクチュエータを有し、前記評価用アクチュエータの性能を評価するアクチュエータ評価システムのアクチュエータ評価方法であって、前記評価用アクチュエータの可動部を駆動する制御を行うとともに、前記可動部が受ける反力を模擬して前記反力模擬用アクチュエータに前記反力を出力させる制御を行うことを特徴とする。本発明のその他の態様については、後記する実施形態において説明する。
【発明の効果】
【0008】
本発明によれば、低コストで精度の高い加振機あるいはアクチュエータの評価方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【
図1】全組による加振機評価の全体構成を示す説明図である。
【
図2】第1実施形態に係る加振機評価システムの全体構成を示す説明図である。
【
図3】第1実施形態に係るコントローラの制御内容を示すブロック線図である。
【
図4】複数の加振機を有する三次元振動台の略構成を示す斜視図である。
【
図5】第2実施形態に係る加振機評価システムの全体構成を示す説明図である。
【
図6】第2実施形態に係るコントローラの制御内容を示すブロック線図である。
【発明を実施するための形態】
【0010】
本発明を実施するための実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
<<第1実施形態>>
図1は、全組による加振機評価の全体構成を示す説明図である。全組による加振機評価の全体構成は、評価対象となる評価用加振機10と、加振対象物41を有する振動台40とで構成される。評価用加振機10のピストン11は、ロードセル14、継ぎ手15、ロードセル24を介して振動台40と接続されている。なお、ロードセルは、力(質量、トルク等)を検出するセンサーであり、力を加えると、それを電気信号に変換する。
【0011】
本実施形態では、評価用加振機10として、油圧加振機を例に説明する。
油圧加振機は、工場やプラント、試験設備等の内部に設置された加振対象物41に振動を与え、変形を加えるためのものである。油圧加振機は、図示していないピストンのフランジ部分によりシリンダ内を2つの部屋に区切る構造となっている。このシリンダ内の2つの部屋に対して油の流入方向や流入量を制御するのがサーボ弁である。2つの部屋のうちのどちらに油を流入させるかによってピストンの動作方向が決定され、また、単位時間あたりの流入量を変化させることによって、ピストンの動作速度が変化する。サーボ弁は、変位制御用演算器31(
図2参照)からの指令を受けて、油圧加振機を所望の位置まで動作させるために、前述の油の流入方向や流入量を変化させる。
【0012】
加振対象物41には、例えば、大型遠心力載荷装置、鉄道車両試験装置、3次元振動台がある。大型遠心力載荷装置は、遠心場での振動台実験により、地盤模型で液状化現象の再現をする装置である。装置内の動的加振装置は、10~350Hzの周波数の地震波が再現できる。回転径は直径12mになる大型の装置である。
【0013】
図2は、第1実施形態に係る加振機評価システム100の全体構成を示す説明図である。加振機評価システム100は、評価用加振機10の性能を評価する加振機評価システムであって、評価用加振機10に反力を与える反力模擬用加振機20と、各加振機をサーボ制御するコントローラ30と、を備え、コントローラ30は、評価用加振機10のピストン11(可動部)を駆動する制御を行うとともに、ピストン11が受ける反力を模擬して反力模擬用加振機20に反力を出力させる制御を行う。これにより、
図1のように、評価用加振機10を実規模の振動台40に接続して評価するする必要が特になく、評価用加振機10単体での性能を評価することができる。
【0014】
評価用加振機10と、反力模擬用加振機20とは、対向して配置されており、評価用加振機10のピストン11は、ロードセル14、継ぎ手15、ロードセル24を介して反力模擬用加振機20のピストン21と接続されている。ピストン11、ロードセル14、継ぎ手15、ロードセル24、ピストン21が、加振機評価システム100の可動部50となる。ロードセル14により、変位X1、力F1などが出力される。ロードセル24により、変位X2、力F2などが出力される。
【0015】
コントローラ30は、変位制御用演算器31、反力演算器32、反力制御用演算器33などを含んで構成される。変位制御用演算器31は、比較部311にて、目標変位Xrefと変位制御側の評価用加振機10のピストン11の変位X1と比較されたのち、その差分を変位制御器312にて増幅して、評価用加振機10側のサーボ弁13に制御量を指令する。
【0016】
反力演算器32は、加振対象の逆モデル321により、加振対象が発生する反力Frefへと変換する.この逆モデル321は、質点系や機構解析モデルなど、物理モデルであればその形態は問わない。
【0017】
反力制御用演算器33は、比較部331にて、反力Frefと反力模擬用加振機20の加振力F2と比較されたのち、その差分を反力制御器332にて増幅して、反力模擬用加振機20側のサーボ弁23に制御量を指令する。
【0018】
図3は、第1実施形態に係るコントローラ30の制御内容を示すブロック線図である。適宜
図2を参照して説明する。
図3の上側のブロック線図が評価用加振機10の加振機特性、下側のブロック線図が反力模擬用加振機20の加振機特性を示している。
【0019】
図3によれば、目標変位X
refは、比較部311にて評価用加振機10のピストン11の変位X
1と比較されたのち、変位制御器312にて偏差を増幅し、サーボ弁13とピストン11を介して力F
1へと変換される。力F1は、加え合わせ点51を介して模擬された反力F
2との差分だけ、可動部50(両加振機のピストン11,21やロードセル14,24)を駆動する。両加振機をつなぐ継ぎ手15のバネ変形が無視できない場合は、可動部の変位が異なる。すなわち、変位X
1と変位X
2が異なる。反力模擬側の可動部の変位X2は、本来の加振対象の逆モデル321により、加振対象が発生した反力F
refへと変換される。この逆モデル321は、質点系や機構解析モデルなど、物理モデルであればその形態は問わない。ただの質量だけでなく、共振もモデル化されている。反力F
refは、反力模擬用加振機20の加振力F2と比較されたのち、その偏差を反力制御器332により増幅し、反力模擬側のサーボ弁23とピストン211を介して反力F
2が発生する。
【0020】
コントローラ30は、評価用加振機10のピストン11(可動部)を駆動する制御を行うとともに、ピストン11が受ける反力を模擬して反力模擬用加振機20に反力を出力させる制御を行うことができる。また、コントローラ30は、評価用加振機10が所定の変位、所定の力などで駆動できるか否かを評価することができる。
【0021】
<<第2実施形態>>
第1実施形態として、加振機評価システム100の基本構成を説明したが、第2実施形態では、3次元振動台に用いる加振機を例にその評価方法を説明する。まず、評価用加振機を全組した場合の評価システムを
図4に示す。
【0022】
図4は、複数の加振機を有する三次元振動台の略構成を示す斜視図である。符号40は加振対象物41(
図1参照)を搭載する振動台、符号10XAと10XBはX軸方向に加振する評価用加振機、符号10YAと10YBはY軸方向に加振する評価用加振機、符号10ZA~10ZDはZ軸方向に加振する評価用加振機、符号13XAは評価用加振機10XAのサーボ弁、13XBは評価用と評価用加振機10XBのサーボ弁である。
【0023】
図4に示すように、振動台40には、X軸方向に2台の評価用加振機10XAと10XBから振動が加えられ、Y軸方向に2台の評価用加振機10YAと10YBから振動が加えられ、Z軸(垂直)方向に4台の評価用加振機10ZA~10ZDから振動が加えられる。全てのサーボ弁を図示していないが、例えば、サーボ弁13XAは評価用加振機10XAの圧油の供給と排出を制御することによって加振制御を行い、サーボ弁13XBは評価用加振機10XBの圧油の供給と排出を制御することによって加振制御を行う。
【0024】
図4に示す全組した大型の加振システムの場合、加振機特性を把握するためには、実機相当の負荷が必要となり、試験のためのコストも増大する。このため、第2実施形態では、各評価用加振機の可動部に係る反力を、逆モデルで求めて、全組しないで、各評価用加振機ごとの評価をすることができる。
【0025】
図5は、第2実施形態に係る加振機評価システムの全体構成を示す説明図である。
図5では、
図4における2台の評価用加振機10XAと10XBの評価方法を示す。
【0026】
加振機評価システム100は、評価用加振機10の性能を評価する加振機評価システムであって、評価用加振機10に反力を与える反力模擬用加振機20XA,20XBと、各加振機をサーボ制御するコントローラ30と、を備え、コントローラ30は、評価用加振機10XA,10XBのピストン11A,11B(可動部)を駆動する制御を行うとともに、ピストン11A,11Bが受ける反力を模擬して反力模擬用加振機20XA,20XBに反力を出力させる制御を行う。これにより、
図4のように、評価用加振機10を実規模の振動台40に接続して評価するする必要が特になく、複数の評価用加振機10XA,10XBでの性能を評価することができる。
【0027】
評価用加振機10XA側のロードセル14Aにより、変位X1、力F1などが出力される。評価用加振機10XB側のロードセル14Bにより、変位X3、力F3などが出力される。
【0028】
コントローラ30は、変位制御用演算器31A,31B、反力演算器32、反力制御用演算器33A,33Bなどを含んで構成される。変位制御用演算器31Aは、比較部311Aにて、目標変位Xref1と変位制御側の評価用加振機10XAのピストン11Aの変位X1と比較されたのち、その差分を変位制御器312Aにて増幅して、評価用加振機10XA側のサーボ弁13Aに制御量を指令する。
【0029】
同様に、変位制御用演算器31Bは、比較部311Bにて、目標変位Xref3と変位制御側の評価用加振機10XBのピストン11Bの変位X3と比較されたのち、その差分を変位制御器312Bにて増幅して、評価用加振機10XB側のサーボ弁13Bに制御量を指令する。
【0030】
反力演算器32は、変位X2,X4を入力として、加振対象の逆モデル321により、加振対象が発生する反力Fref2,Fref4へと変換する.この逆モデル321は,質点系や機構解析モデルなど,物理モデルであればその形態は問わない。
【0031】
反力制御用演算器33Aは、比較部331Aにて、反力Fref2と反力模擬用加振機20XBの反力F2と比較されたのち、その差分を反力制御器332Aにて増幅して、反力模擬用加振機20XA側のサーボ弁23Aに制御量を指令する。同様に、反力制御用演算器33Bは、比較部331Bにて、反力Fref4と反力模擬用加振機20XBの反力F4と比較されたのち、その差分を反力制御器332Bにて増幅して、反力模擬用加振機20XB側のサーボ弁23Bに制御量を指令する。
【0032】
図6は、第2実施形態に係るコントローラ30の制御内容を示すブロック線図である。適宜
図5を参照して説明する。
図6の上側のブロック線図が評価用加振機10XA,10XBの加振機特性,下側のブロック線図が反力模擬用加振機20XA,20XBの加振機特性を示している。
【0033】
図6によれば、目標変位X
ref1は、比較部311Aにて評価用加振機10XAのピストン11Aの変位X
1と比較されたのち、変位制御器312Aにて偏差を増幅し、サーボ弁13Aとピストン11Aを介して力F
1へと変換される。同様に、目標変位X
ref3は、比較部311Bにて評価用加振機10XBのピストン11Bの変位X
3と比較されたのち、変位制御器312Bにて偏差を増幅し、サーボ弁13Bとピストン11Bを介して力F
3へと変換される。力F1と力F2が加え合わせ点52で加算され、加え合わせ点53で反力F2分減算され、加え合わせ点54で反力F4分減算出され、可動部50を駆動する。
【0034】
反力模擬側の可動部の変位X2,X4は、本来の加振対象の逆モデル321により、加振対象が発生した反力Fref2,Fref4へと変換される。この逆モデル321は、質点系や機構解析モデルなど、物理モデルであればその形態は問わない。ただの質量だけでなく、共振も考慮されている。反力Fref2は、反力模擬用加振機20XAの反力F2と比較されたのち、その偏差を反力制御器332Aにより増幅し、反力模擬側のサーボ弁23A、ピストン21Aを介して反力F2が発生する。同様に、反力Fref4は、反力模擬用加振機20XBの反力F4と比較されたのち、その偏差を反力制御器332Bにより増幅し、反力模擬側のサーボ弁23B、ピストン21Bを介して反力F2が発生する。
【0035】
コントローラ30は、評価用加振機10XA,10XBのピストン11A,11B(可動部)を駆動する制御を行うとともに、ピストン11A、11Bが受ける反力を模擬して反力模擬用加振機20XA,20XBに反力を出力させる制御を行うことができる。また、コントローラ30は、評価用加振機10XA,10XBが所定の変位、所定の力などで駆動できるか否かを評価することができる。
【0036】
振動台40に載荷される加振対象物41(
図1参照)の構造、重心位置などにより、評価用加振機10XAの可動部、評価用加振機10XBの可動部に作用する反力は異なる。異なった反力を模擬することにより、各評価用加振機の評価を個別に実施することができる。
【0037】
反力は、水平平面において複数の評価用アクチュエータをX軸方向またはXY軸方向に配設したときの複数の評価用アクチュエータ(例えば、評価用加振機10XA)の反力である。また、反力は、複数の前記評価用アクチュエータを鉛直方向に配設したときの複数の評価用アクチュエータ(例えば、評価用加振機10ZA)の反力である。
【0038】
以上、実施形態では、加振機評価システム100として説明したが、アクチュエータ評価システムとしても適用できる。すなわち、評価用アクチュエータ(例えば、評価用加振機10)の性能を評価するアクチュエータ評価システムであって、評価用アクチュエータに反力を与える反力模擬用アクチュエータ(例えば、反力模擬用加振機20)と、各アクチュエータをサーボ制御するコントローラ30と、を備え、コントローラ30は、評価用アクチュエータの可動部を駆動する制御を行うとともに、可動部が受ける反力を模擬して反力模擬用アクチュエータに反力を出力させる制御を行うことを特徴とする。これにより、低コストで精度の高いアクチュエータの評価システムを提供することができる。
【0039】
コントローラ30は、評価用アクチュエータの変位あるいは加速度をフィードバックして評価用アクチュエータをフィードバック制御し、評価用アクチュエータの出力に基づいて試験対象物を駆動したときの反力を求めて、反力模擬用アクチュエータを反力に基づいて制御することができる。また、各アクチュエータは、1軸のアクチュエータである。
【0040】
コントローラ30は、変位制御用演算器31、反力演算器32、反力制御用演算器33を含んで構成され、実施形態ではコントローラ30を一つとして説明した。しかし、これに限定されるわけではなく、変位制御用演算器31を有する評価用アクチュエータ用のコントローラと、反力演算器32及び反力制御用演算器33を有する反力模擬用アクチュエータ用のコントローラとを有していてもよい。
【0041】
評価用アクチュエータがロードセル14,24を介して反力模擬用アクチュエータに接続し、測定力を基に評価用アクチュエータの性能を評価するアクチュエータ評価システムであって、評価用アクチュエータ及び反力模擬用アクチュエータの動力は油圧であり、評価用アクチュエータが組み込まれた加振試験装置における評価用アクチュエータが駆動した状態の反力を模擬し、反力模擬用アクチュエータにより発生した反力を評価用アクチュエータに与えた状態でアクチュエータの性能評価を行うことができる。
【0042】
また、前記説明では、油圧式の加振機またはアクチュエータとして説明したが、これに限定されるわけではない。例えば、アクチュエータはリニアモータであってもよい。リニアモータは、回転機を直線状に切り開いた構造を有しており、固定子と可動子の各々に構成された磁極の間に働く磁力によって、可動子に推力を発生させることができる。
【符号の説明】
【0043】
10,10XA,10XB 評価用加振機(評価用アクチュエータ)
11 ピストン
12 シリンダ
13 サーボ弁
14 ロードセル
15 継ぎ手
20,20XA,20XB 反力模擬用加振機(反力模擬用アクチュエータ)
21 ピストン
22 シリンダ
23 サーボ弁
24 ロードセル
30 コントローラ
31 変位制御用演算器
311 比較部
312 変位制御器
32 反力演算器
321 逆モデル
33 反力制御用演算器
331 比較部
332 反力制御器
40 振動台
41 加振対象物
44 ロードセル
50 可動部
51 加え合わせ点
100 加振機評価システム(アクチュエータ評価システム)