JP2006098355A - Frame mechanism vibration analyzing device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、位置決めが必要な駆動機械が設置された架台機構の振動をシミュレーションする架台機構振動解析装置に関する。 The present invention relates to a gantry mechanism vibration analysis apparatus that simulates vibrations of a gantry mechanism in which a drive machine that requires positioning is installed.
従来、架台機構等の機構系の設計では駆動機械(駆動体とも称す)を設置する架台機構は剛体として考え、駆動する機構の挙動の解析に重点を置いて設計していた。このため、架台機構の設計は経験的になるべく剛性を高く設計するという手法が取られていた。しかし、駆動体を設置する架台機構のスペースが限定される場合や移動を可能とする場合に、架台の軽量化を図る必要から架台機構の剛性が十分でなくなり、剛体と考えられない場合がでてきている。更に、駆動体からの反力の大きさや、駆動のパターン、架台の設置状態により、無視できない架台機構自体の振動が駆動体の挙動に影響する場合もある。 Conventionally, in designing a mechanical system such as a gantry mechanism, a gantry mechanism in which a driving machine (also referred to as a driving body) is installed is considered as a rigid body and is designed with an emphasis on analysis of the behavior of the driving mechanism. For this reason, the design of the gantry mechanism has been a technique of designing the rigidity as high as possible. However, when the space of the gantry mechanism where the drive body is installed is limited or when it is possible to move, the gantry mechanism is not sufficiently rigid due to the need to reduce the weight of the gantry, and may not be considered a rigid body. It is coming. Furthermore, depending on the magnitude of the reaction force from the drive body, the drive pattern, and the installation state of the mount, vibration of the mount mechanism itself that cannot be ignored may affect the behavior of the drive.
最近では、高速・高精度の位置決めを行おうとする要求も強く、これまで無視してきた微小振動を考慮しなければならなくなっている。そのため、これらの要求に答えるために駆動機構の解析のみではなく、駆動機構を設置する架台機構の解析が必要となってきている。
従来、機構系の振動を解析する場合には複雑に絡む要因の中から、主要因だけを抜き出して出来るだけ簡単な低自由度のモデルで、尚且つ出来れば線形のモデルを構築していた。具体的には、図15に示すように、例えば実際の機構として、2本の脚による脚部1が、機械2の設置された天板3を支える機構の振動モデルは、図16に示すように機械2及び天板3と同等の等価質量を持つ剛体マス要素4と、その振動特性を表すバネ要素5と、減衰要素6とによって構成される振動モデルとして振動現象をモデル化し、この運動方程式を計算することで振動現象を解析していた。
Recently, there is a strong demand for high-speed and high-accuracy positioning, and minute vibrations that have been ignored until now must be taken into consideration. Therefore, not only the analysis of the drive mechanism but also the analysis of the gantry mechanism in which the drive mechanism is installed is necessary to meet these requirements.
Conventionally, when analyzing vibrations of a mechanical system, only a main factor is extracted from complicated factors, and a model with a low degree of freedom as simple as possible is constructed, and if possible, a linear model is constructed. Specifically, as shown in FIG. 15, for example, as an actual mechanism, a vibration model of a mechanism in which the leg 1 with two legs supports the
しかしながら、その解析手法では、解析対象の構造が簡単な場合、バネ要素5の決定は容易で振動現象を良く再現可能であるが、構造が複雑な場合、モデルのバネ要素5の特性(バネ定数)や、減衰要素6の特性(減衰定数)の決定が難しい。これを補うため、実験とその観測によりモデルの修正が必要となるため、多大な時間を浪費していた。
このため、最近では有限要素法という解析手法が有力な解析手法として定着しつつある。これは、解析対象の形状をそのままデータとして入力するだけで、特別の習練を必要とせず、誰にでも簡単に振動現象を計算することが可能であり、かつ、精度の高い解析を行うことが可能となっている。また、この解析手法を用いた機構システムシミュレーションプログラムが多く市販されており、より汎用性をもち、より使い易く、手軽に振動現象を解析できる環境が整っている。
However, in the analysis method, when the structure to be analyzed is simple, the determination of the
For this reason, recently, an analysis method called a finite element method has been established as a powerful analysis method. This is because the shape of the analysis target is simply input as data, no special training is required, and anyone can easily calculate the vibration phenomenon and perform highly accurate analysis. It is possible. In addition, many mechanical system simulation programs using this analysis method are commercially available, and the environment is more versatile, easier to use, and can easily analyze vibration phenomena.
有限要素法は、図15に示した実際の機構に関しては、図17に示すように形状を各要素7に分割し、且つ、境界条件8を設定することで、この各要素7を形成する節点9毎に変位や応力を計算するものである。
この種の従来の解析装置として、例えば特許文献1及び非特許文献1に記載のものがある。
Examples of this type of conventional analysis apparatus include those described in Patent Document 1 and Non-Patent Document 1.
上述した従来の架台機構の振動を解析する手法において、有限要素法を用いるモデル化手法では、あらゆる機構形状をモデル化することが容易である。しかし、その様々な解析対象に対応するため、市販プログラムには多くの計算機能が付加され、また、使い易さを重視しているため多くのGUI(Grgp11ical User Interface)機能を有している。この結果、プログラムが大きくなり、且つ、解析対象を容易に入力可能であるが故にモデルが複雑になり(当然、データ数も多くなり)、無駄に計算を繰返すという資源と時間の無駄使いを招くことになる。 In the method for analyzing the vibration of the conventional gantry mechanism described above, it is easy to model any mechanism shape by the modeling method using the finite element method. However, in order to deal with the various analysis objects, many calculation functions are added to the commercially available program, and since many emphasis is placed on ease of use, it has many GUI (Grgp11ical User Interface) functions. As a result, the program becomes large and the analysis target can be easily input, so that the model becomes complicated (of course, the number of data increases), resulting in a waste of resources and time for repeated calculation. It will be.
この資源と時間の無駄使いを防ぐために、モデルをできるだけ簡略化して有限要素法による解析が行われる場合が多い。しかし、前述の通り機構が複雑になると実機構をどの様に簡略化するかは、多くの場合、経験と解析者の勘に頼るところが多いので、有限要素法を用いたとしても誰もが容易に解析を行うことができないという問題がある。
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、位置決めが必要な駆動機械が設置された天板並びに天板を支える柔軟な脚部から成る架台機構の振動を、誰もが経験や勘に頼らない必要最小限のパラメータの入力によって、より少ない演算量で、出来るだけ厳密解である有限要素法と同等の解析精度にて解析することができる架台機構振動解析装置を提供することを目的としている。
In order to prevent this waste of resources and time, the model is often simplified and analyzed by the finite element method as much as possible. However, as described above, when the mechanism becomes complex, how to simplify the actual mechanism often depends on experience and the intuition of the analyst, so anyone can easily use the finite element method. However, there is a problem that analysis cannot be performed.
The present invention has been made in view of such problems, and everyone has experienced vibration of a gantry mechanism comprising a top plate on which a driving machine that requires positioning and a flexible leg that supports the top plate are installed. To provide a platform mechanism vibration analysis device that can analyze with the same amount of calculation accuracy as the finite element method, which is a strict solution as much as possible, by inputting the minimum necessary parameters without relying on intuition It is an object.
上記目的を達成するために、本発明の請求項1による架台機構振動解析装置は、棒状及び板状の少なくとも一方の部材による脚を架台状に組み合わせた脚部と、この脚部に支持され、その上面に機械が設置される板状の天板とを有して成る架台機構の固有振動数を演算する架台機構振動解析装置において、前記脚部の幅と、前記脚部の奥行きと、前記脚部の高さと、前記脚の材料特性と、前記脚の断面形状特性と、前記天板の質量と、前記機械の質量とを入力設定値として前記固有振動数を演算することを特徴とする。 To achieve the above object, a gantry mechanism vibration analysis device according to claim 1 of the present invention is supported by a leg portion in which legs of at least one of a rod-like member and a plate-like member are combined in a gantry shape, and supported by the leg portion. In the gantry mechanism vibration analysis device for calculating the natural frequency of the gantry mechanism having a plate-like top plate on which the machine is installed, the width of the leg portion, the depth of the leg portion, The natural frequency is calculated by using the height of the leg, the material characteristics of the leg, the cross-sectional shape characteristics of the leg, the mass of the top plate, and the mass of the machine as input set values. .
この構成によれば、架台機構を構成する脚部の幅と、脚部の奥行きと、脚部の高さと、脚の材料特性と、脚の断面形状特性と、天板の質量と、この天板上の機械の質量とを入力パラメータとして架台機構の固有振動数を演算するようにした。これによって、従来、多大な時間を有していた複雑な部分のモデリングと計算とが不要となるので、従来に比べ固有振動数の計算負荷を大幅に削減することができる。 According to this configuration, the leg width, leg depth, leg height, leg material characteristics, leg cross-sectional characteristics, weight of the top plate, the top plate mass, The natural frequency of the gantry mechanism is calculated using the mass of the machine on the plate as an input parameter. This eliminates the need for modeling and calculation of a complicated portion that has conventionally required a lot of time, so that the calculation load of the natural frequency can be greatly reduced as compared with the conventional case.
つまり、架台機構の全てをモデル化して有限要素法を用いて解析する手法では、複雑な部分のモデリング、特に天板及び機械の部分の形状が複雑であることが多いので、その部分のモデリングと計算とに多大な時間を有する。しかし、本発明では、天板を剛体と見なしても脚の剛性が多く寄与するので、モデルと実機との誤差が少ないことから、天板の剛性を脚に比べて十分に大きくして天板の影響を無視するモデリングとした。このようなモデリングとすることで上記の入力パラメータのみで、特に、複雑な機械部分のモデリングを行わずに解析精度を確保して、架台機構の振動特性を表す固有振動数を計算することができる。
また、架台機構振動解析に必要となる入力値を上記のように経験不要な項目に絞り込んで入力することができるので、シミュレーションツールである架台機構振動解析装置を使用する解析者のスキルによらずに、誰でも簡単に簡易的モデルでの解析が可能となる。
In other words, in the method of modeling all of the gantry mechanism and analyzing it using the finite element method, modeling of complex parts, especially the shape of the top plate and machine parts are often complicated. It takes a lot of time to calculate. However, in the present invention, even if the top plate is regarded as a rigid body, the rigidity of the legs contributes a lot.Therefore, the error between the model and the actual machine is small. Modeling that ignores the effects of. By adopting such modeling, it is possible to calculate the natural frequency representing the vibration characteristics of the gantry mechanism by securing the analysis accuracy with the above input parameters alone and without particularly modeling the complicated machine part. .
In addition, the input values required for the gantry mechanism vibration analysis can be narrowed down to items that do not require experience as described above, regardless of the skill of the analyst using the gantry mechanism vibration analysis device, which is a simulation tool. In addition, anyone can easily analyze with a simple model.
また、本発明の請求項2による架台機構振動解析装置は、請求項1において、前記脚の接地面での固定状態を、その接地面と平行な水平方向、この水平方向に対する垂直方向、当該脚の長手方向の軸が回転する回転方向の全ての方向が拘束されて自由度が無いと定めた値を、前記入力設定値に追加したことを特徴とする。
この構成によれば、架台機構の脚が接地面に完全に固定されている場合に、固有振動数をより正確に計算することができる。
The gantry mechanism vibration analysis apparatus according to claim 2 of the present invention is the gantry mechanism vibration analysis device according to claim 1, in which the leg is fixed on the ground surface in a horizontal direction parallel to the ground surface, a direction perpendicular to the horizontal direction, the leg. A value that is defined as having no degree of freedom is constrained in all the rotational directions in which the longitudinal axis rotates, and is added to the input set value.
According to this configuration, the natural frequency can be calculated more accurately when the legs of the gantry mechanism are completely fixed to the ground contact surface.
また、本発明の請求項3による架台機構振動解析装置は、請求項1において、前記脚の接地面での固定状態を、その接地面と平行な水平方向と、この水平方向に対する垂直方向とには自由度がなく、当該脚の長手方向の軸が回転する回転方向のみ自由度があると定めた値を、前記入力設定値に追加したことを特徴とする。
この構成によれば、架台機構の脚が接地面に対して固定されているが、完全固定ではなく、当該脚の軸が回転状態となるといった条件の場合に、固有振動数をより正確に計算することができる。
According to a third aspect of the present invention, the gantry mechanism vibration analyzing apparatus according to the first aspect is configured such that the fixed state of the leg on the ground contact surface is a horizontal direction parallel to the ground contact surface and a direction perpendicular to the horizontal direction. Has a degree of freedom, and a value determined to have a degree of freedom only in the rotational direction in which the longitudinal axis of the leg rotates is added to the input set value.
According to this configuration, the leg of the gantry mechanism is fixed to the grounding surface, but the natural frequency is calculated more accurately in the condition that the axis of the leg is in a rotating state rather than being completely fixed. can do.
また、本発明の請求項4による架台機構振動解析装置は、請求項1から3の何れか1項において、前記脚部が複数の脚を有し、これら脚同士を接続する筋交い部材を有する場合に、前記筋交い部材の材料特性と、断面形状特性と、長さと、当該脚部における設置位置とを、前記入力設定値に追加したことを特徴とする。
この構成によれば、架台機構の複数の脚同士が筋交い部材で接続固定されている場合でも、固有振動数をより正確に計算することができる。
According to
According to this configuration, even when the plurality of legs of the gantry mechanism are connected and fixed by the brace members, the natural frequency can be calculated more accurately.
また、本発明の請求項5による架台機構振動解析装置は、請求項1において、前記脚の断面形状特性として当該脚の断面2次モーメントを用い、断面2次モーメントを直接入力することを特徴とする。
この構成においても、シミュレーションツールである架台機構振動解析装置を使用する解析者のスキルによらずに、誰でも簡単に簡易的モデルでの解析が可能となる。
The gantry mechanism vibration analysis apparatus according to
Even in this configuration, anyone can easily perform an analysis with a simple model regardless of the skill of an analyst who uses the gantry mechanism vibration analysis device as a simulation tool.
また、本発明の請求項6による架台機構振動解析装置は、請求項1において、前記脚の断面形状特性として当該脚の断面2次モーメントを用い、入力された脚の断面形状と断面形状寸法とから断面2次モーメントを求めることを特徴とする。
この構成によれば、架台機構振動解析に必要となる断面2次モーメントを、該当架台機構の脚の断面形状と断面形状寸法とを指定することによって断面2次モーメントを入力することができるので、架台機構振動解析のためのパラメータ入力が容易となる。
According to claim 6 of the present invention, the gantry mechanism vibration analyzing apparatus according to claim 1 uses the second moment of section of the leg as the sectional shape characteristic of the leg. The second moment of section is obtained from the above.
According to this configuration, since the cross-sectional secondary moment required for the gantry mechanism vibration analysis can be input by specifying the cross-sectional shape and cross-sectional shape dimensions of the leg of the corresponding gantry mechanism, Parameter input for gantry mechanism vibration analysis becomes easy.
また、本発明の請求項7による架台機構振動解析装置は、請求項1において、前記脚の断面形状特性として当該脚の断面2次モーメントを用い、各種脚の断面形状と当該断面形状の断面2次モーメントとを対応付けて記憶しておき、指定された断面形状に対応付けられた断面2次モーメントを選択することを特徴とする。
この構成によれば、架台機構振動解析に必要となる断面2次モーメントを、該当架台機構の脚の断面形状を指定することによって断面2次モーメントを入力することができるので、架台機構振動解析のためのパラメータ入力がより容易となる。
Further, according to claim 7 of the present invention, the gantry mechanism vibration analysis device according to claim 1 uses cross-sectional moments of the legs as cross-sectional shape characteristics of the legs, and uses cross-sectional shapes of various legs and cross-sections 2 of the cross-sectional shapes. The second moment is stored in association with each other, and the second moment of the cross-section associated with the designated cross-sectional shape is selected.
According to this configuration, the secondary moment of the cross section required for the gantry mechanism vibration analysis can be input by designating the cross sectional shape of the leg of the corresponding gantry mechanism. Therefore, it is easier to input parameters.
また、本発明の請求項8による架台機構振動解析装置は、請求項1において、前記架台機構材料特性として前記脚の材料のヤング率を用い、ヤング率を直接入力することを特徴とする。
この構成によれば、架台機構振動解析に必要となるヤング率を直接入力するので、架台機構振動解析のためのパラメータ入力が容易となる。
The gantry mechanism vibration analysis apparatus according to claim 8 of the present invention is characterized in that, in claim 1, Young's modulus of the material of the leg is used as the gantry mechanism material characteristic, and the Young's modulus is directly inputted.
According to this configuration, since the Young's modulus necessary for the gantry mechanism vibration analysis is directly input, it is easy to input parameters for the gantry mechanism vibration analysis.
また、本発明の請求項9による架台機構振動解析装置は、請求項1において、前記架台機構材料特性として前記脚の材料のヤング率を用い、各種脚の材料名と当該材料のヤング率とを対応付けて記憶しておき、指定された材料名に対応付けられたヤング率を選択することを特徴とする。
この構成によれば、架台機構振動解析に必要となるヤング率を、該当架台機構の脚の材料名を入力することによって選択可能としたので、架台機構振動解析のためのパラメータ入力がより容易となる。
The gantry mechanism vibration analysis apparatus according to claim 9 of the present invention uses the Young's modulus of the material of the leg as the gantry mechanism material characteristic in claim 1, and uses the material name of each leg and the Young's modulus of the material. It stores in association with each other, and selects a Young's modulus associated with a designated material name.
According to this configuration, since the Young's modulus required for the gantry mechanism vibration analysis can be selected by inputting the material name of the leg of the gantry mechanism, it is easier to input parameters for the gantry mechanism vibration analysis. Become.
以上説明したように本発明の架台機構振動解析装置によれば、位置決めが必要な駆動機械が設置された天板並びに天板を支える柔軟な脚部から成る架台機構の振動を、誰もが経験や勘に頼らない必要最小限のパラメータの入力によって、より少ない演算量で、出来るだけ厳密解である有限要素法と同等の解析精度にて解析することができるという効果がある。
これによって、解析時の資源と時間の無駄使いを防止することができるという効果がある。
As described above, according to the gantry mechanism vibration analysis apparatus of the present invention, everyone has experienced vibration of the gantry mechanism comprising the top plate on which the driving machine that requires positioning and the flexible legs that support the top plate are installed. By inputting the minimum necessary parameters without relying on intuition, there is an effect that the analysis can be performed with a smaller amount of calculation and with the same analysis accuracy as the finite element method, which is an exact solution.
This has the effect of preventing waste of resources and time during analysis.
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
図1は、本発明の実施の形態に係る架台機構振動解析装置の構成を示すブロック図である。
図1に示す架台機構振動解析装置50は、パラメータ入力部51と、固有振動数演算部52と、パラメータ選択部53と、パラメータDB(データベース)54と、表示部55とを備え、これら要素をバス接続して構成したシミュレーションツールである。
この架台機構振動解析装置50によって、その振動が解析される解析対象の架台機構の構成を、図2に概念的に表す。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a gantry mechanism vibration analyzer according to an embodiment of the present invention.
The gantry mechanism
FIG. 2 conceptually shows the configuration of the gantry mechanism to be analyzed whose vibration is analyzed by the gantry mechanism
図2に示す架台機構13は、棒状や板状の鋼材等で構成される脚部10と、脚部10に支えられ、その上に機械11が設置された天板12とを備えて構成されている。但し、脚部10は、床面に垂直に互いに所定間隔離して固定された2本の架台脚10aと、これらの架台脚10aを補強するために2本の脚10aの下方を固定するための筋交い20aとから構成されている。また、機械11は、本例では図示せぬ物体を保持して運搬可能なアーム付き駆動体14であるとする。また、アーム付き駆動体14は、作業空間を移動可能とするためにステージ15等の移動手段を介して天板12の上に固定されている。
The
この架台機構13は、図3に示すように、ステージ15によってアーム付き駆動体14のアームを矢印16の方向に移動させた際に、脚部10の剛性が十分でない場合は、架台脚10aと床面との固定点18を基準として微小振動19が発生し、アーム付き駆動体14が停止しても振動が残留する。このため、タクト時間の短縮や高精度なアーム付き駆動体14のアームの位置決めを行う場合に不都合となる。そこで、架台機構13の振動解析が必要となる。
As shown in FIG. 3, when the arm of the
その架台機構13の振動特性を表す重要なパラメータである架台機構13の固有振動数の解析に関して説明する。
通常、図15に示したようなモデルの場合は、下式(1)によって、架台機構13の固有振動数fを計算することができる。
固有振動数f=(1/2π)√{(1/M)×(12nEI/L3)} …(1)
ここで、
E:架台脚のヤング率
I:架台脚の断面2次モーメント(架台脚断面の形状によって変わる曲げ・たわみ等の変形し易さの度合を数値的に表現したもの)
n:架台脚の本数
m:天板と天板上の機械の合計質量
である。
The analysis of the natural frequency of the
Normally, in the case of a model as shown in FIG. 15, the natural frequency f of the
Natural frequency f = (1 / 2π) √ {(1 / M) × (12 nEI / L 3 )} (1)
here,
E: Young's modulus of the pedestal leg I: Second moment of section of the pedestal leg (a numerical expression of the degree of ease of deformation such as bending and deflection depending on the shape of the pedestal leg cross section)
n: Number of pedestal legs m: Total mass of the top plate and the machine on the top plate.
ところで、実際の架台機構13は、図2に示した架台機構13のように単純な機構ではなく、図4に示す架台機構13−1のように、脚部10に更に斜めの筋交い20bを有する複雑な形状のものも有るので、上式(1)はそのまま適用できないことが多い。この場合、構成する脚部10で最も剛性が低い構成部材に着目して、そのパラメータを式(1)に代入して計算する手法もあるが、厳密な解を求めることは難しい。
By the way, the
また、架台機構13は、固定状態で固有振動数fが変わるが、上記の簡易的な計算式(1)では固定条件を反映できず、誤差が大きい。
そこで、良好な解析精度を得るために、全ての機構をモデル化して有限要素法を用いて解析する手法があり、図5に示すように、上記図2に示したモデルの形状を節点22から構成される各要素21に分割し、境界条件23を設定して固有値解析を行う。しかし、この図5のようなモデリングでは、複雑な部分のモデリングと計算とに、多大な時間を有する。特に、天板12及び機械11の部分の形状が複雑であることが多い。
Further, although the natural frequency f changes in the fixed state in the fixed state, the simple calculation formula (1) cannot reflect the fixed condition, and the error is large.
Therefore, in order to obtain good analysis accuracy, there is a method of modeling all the mechanisms and analyzing them using the finite element method. As shown in FIG. 5, the shape of the model shown in FIG. Dividing into each element 21 to be configured, boundary condition 23 is set and eigenvalue analysis is performed. However, in the modeling as shown in FIG. 5, much time is required for modeling and calculating a complicated portion. In particular, the shapes of the
そこで、本実施の形態では、図6に示すように、架台脚10の各脚10aをバネ24と見做してそれらを連結し、天板12及び機械11の部分の質量の合計を、それらのバネ24の連結点の中で天板12と接する点、即ち天板12と見做したバネ25と接する点26に等価的な集中質量として与えるようにモデルを構築する。このモデルの各バネ24,25に対して剛性方程式を導出し、それらを合成することで固有振動数fを算出する。
Therefore, in the present embodiment, as shown in FIG. 6, each
ここで、天板12を剛体と見なしても、脚10aの剛性が多く寄与するため、実機との誤差が少ないことから、天板12部分の剛性を脚10aに比べて十分に大きくして天板12部分の影響を無視するモデリングとする。
このようなモデリングとすることで、脚部10の幅と、脚部10の奥行きと、脚部10の高さと、脚10aの材料と、脚10aの断面形状と、天板12と天板12の上の機械11との各々の質量と、脚10aの接地面での設置状態とを入力パラメータとして入力すれば、特に、複雑な機械11部分のモデリングを行わずに、解析精度を確保して、架台機構13の振動特性を表す固有振動数fを計算することができる。また、解析ツールとしての利便性向上を図ることができる。
Here, even if the
By setting it as such modeling, the width of the
ところで、固有振動数fの計算においては、計算モデルの固定条件の設定に応じて計算結果に相違が生じるため、計算モデルには実機と整合した拘束条件を設定する必要がある。但し、実機の固定条件を正確に設定することは、本実施の形態であげる計算負荷を極力低減した計算モデルにおいては不可能である。また、固定条件を細かく設定することは、ユーザが解り難く入力時に混乱を来たす可能性がある。そこで、本実施の形態では、固定条件を完全固定、回転自由の2条件に限定し、これらから選択することで、入力が簡易で十分な計算精度を保証するようにした。 By the way, in the calculation of the natural frequency f, since the calculation result differs depending on the setting of the fixed condition of the calculation model, it is necessary to set a constraint condition consistent with the actual machine in the calculation model. However, it is impossible to accurately set the fixed conditions of the actual machine in the calculation model in which the calculation load described in this embodiment is reduced as much as possible. Also, setting the fixed conditions in detail can be confusing at the time of input because it is difficult for the user to understand. Therefore, in the present embodiment, the fixed conditions are limited to two conditions of completely fixed and free to rotate, and by selecting from these, input is simple and sufficient calculation accuracy is guaranteed.
まず、上記の完全固定の例を図7及び図8を参照して説明する。図7は、架台脚10aが例えばコンクリート状の地盤である地面28に埋め込まれて固定されている場合の例である。図8は、架台脚10aの下端に水平に取り付けられた接地板29が、地面28に打込まれたアンカーナット30にボルト31で固定されている場合の例である。
図7のように架台脚10aが地面28に埋め込まれている場合は、脚10aの底面はほぼ固定されおり自由度が少なく、計算モデルを解く場合の条件は、水平、垂直、回転の全方向を拘束した場合(第1の固定条件)とよく一致する。この場合の計算モデルを図9に示す。
First, an example of the complete fixing will be described with reference to FIGS. FIG. 7 shows an example in which the
When the
図9は、架台脚10aと地面28との接点である固定点32の自由度を示しており、矢印Y1は水平方向、矢印Y2は垂直方向、矢印Y3は回転方向を示し、各矢印Y1〜Y3に重ねて付した×印はその方向への自由度がないこと(拘束)を示している。この場合は、水平、垂直、回転の全ての方向に自由度がない条件となる。
一方、図8のように、架台脚10aの下に取り付けられた接地板29が地面28に打込まれたアンカーナット30にボルト31で固定されている場合、図9に示すように接地板29の固定点32は地面28にほぼ密着していると考えられる。
FIG. 9 shows the degree of freedom of the fixed
On the other hand, when the
しかし、図10に示すように、脚10aの長手方向(垂直方向)の軸の付近33では、矢印34で示すように拘束がなく自由度を有する。この場合、固定条件は全方向を拘束した場合に比べ、水平、垂直方向を拘束し、回転を自由とする場合(第2の固定条件)を用いた場合の方が、精度良く計算できる。この場合の計算モデルを図11に示す。図11は、図9と同様の図で、この場合は、矢印Y1,Y2で示す水平、垂直に自由度がなく、矢印Y3で示す回転方向のみ自由の条件となる。
このように、脚10aの固定状態により二つの固定条件を用いることで、入力設定が容易で、かつ計算精度良く解析できる。
However, as shown in FIG. 10, in the vicinity 33 of the axis in the longitudinal direction (vertical direction) of the
Thus, by using two fixed conditions depending on the fixed state of the
また、図4に示した筋交い20a,20bを有する複雑な形状の架台機構13−1に対しては、図12に示すように、架台機構13−1を筋交い20a,20bと脚10aとの各接合点36で分割される複数のバネ35,25で表してモデリングを行い、上記の架台機構13の場合と同様に算出を行う。従って、機構11が解析対象の場合には、上記の入力パラメータに追加して、筋交い20a,20bの材料と、断面形状と、長さと、設置位置とを入力パラメータとして指定する。
Further, for the gantry mechanism 13-1 having a complicated shape having the
また、上記の入力パラメータ項目のうち断面形状特性(断面2次モーメント)の具体的な入力方法として、解析者がパラメータ入力部51に直接入力する方法(方法1)と、後述で説明するように、脚10aの断面2次モーメントIの計算に必要な脚10aの断面形状及び断面形状寸法をパラメータ入力部51により入力する方法(方法2)と、脚10aの規定の脚形状をパラメータDB54から選択して入力する方法(方法3)とがある。
Further, among the above input parameter items, as a specific input method of the cross-sectional shape characteristic (secondary moment of cross section), a method (method 1) in which the analyst inputs directly to the
但し、方法2を実現する場合は、図13に示すように、架台機構振動解析装置50に断面2次モーメント演算部56を更に備える。更に、方法3を実現する場合は、パラメータDB54から規定の脚形状を選び、これに対応した断面2次モーメントを抽出し、計算パラメータに割り当て計算を実施する。なお、パラメータDB54には、JIS記載の一般構造用軽量鋼、一般構造用角形鋼、熱間圧延形鋼、一般のアルミ引き抜き鋼等の非常に良く使用される材料を記憶しておく。
However, when the method 2 is realized, as shown in FIG. 13, the gantry mechanism
方法2について説明する。パラメータDB54には、脚10aの円形、四角形、六角形などの各種断面形状が記憶されている。
まず、解析者がパラメータ入力部51を操作することによって、パラメータDB54に記憶された各種断面形状を表示部55に表示させながら、該当脚10aの断面形状を指定する。次に、解析者がパラメータ入力部51を操作することによって、表示部55に表示させた当該断面形状の寸法を入力する。
Method 2 will be described. The
First, the analyst operates the
断面2次モーメント演算部56は、指定された断面形状と、入力された当該断面形状の寸法とに基づいて当該断面形状の断面2次モーメントIを計算し、この計算された断面2次モーメントIを固有振動数演算部52へ出力する。
方法3について説明する。パラメータDB54には、各種柱状構造体の断面形状と、当該断面形状の断面2次モーメントIとが対応付けられて記憶されている。
The cross-sectional secondary
解析者がパラメータ入力部51を操作することによって、パラメータDB54に記憶された規定の脚形状を表示部55に表示させながら、該当脚10aの断面形状を指定する。この指定された断面形状に対応付けられた断面2次モーメントIがパラメータ選択部53によってパラメータDB54から選択され、固有振動数演算部52へ出力される。
また、ヤング率Eにおいても、解析者がヤング率Eの数値をパラメータ入力部51に直接入力する方法と、脚10aのヤング率EをパラメータDB54から選択して入力する方法とがある。
By operating the
As for the Young's modulus E, there are a method in which the analyst directly inputs the numerical value of the Young's modulus E into the
後者の方法について説明する。パラメータDB54には、脚10aの構成材料である鉄、銅、アルミニュウムなどの材料名と、当該材料のヤング率Eとが対応付けられて記憶されている。
解析者がパラメータ入力部51から脚10aの材料名を入力すると、この材料名に対応付けられたヤング率Eがパラメータ選択部53によってパラメータDB54から選択され、固有振動数演算部52へ出力される。
The latter method will be described. The
When the analyst inputs the material name of the
ここで、図14に、架台機構の各解析条件(計算負荷)と、その条件における実機との解析誤差との関係を示し、その説明を行う。
図中、点37,38は、簡易解の場合を示しており、計算負荷は最も少ないが、解析誤差は40%以上ある。一方、点39,40は厳密解の場合を示しており、解析誤差は3%程度と最も小さくなるが計算負荷が量も大きくなる。点41,42は本実施の形態の計算モデルを用いた場合であり、厳密解と解析精度は略同等、即ち破線43で示すように現実的にツールとして使用するに耐えうる解析誤差10%以内でありながら、計算負荷を低減できるように入力パラメータを限定している。
Here, FIG. 14 shows the relationship between each analysis condition (calculation load) of the gantry mechanism and an analysis error with the actual machine under the condition, and the explanation will be given.
In the figure, points 37 and 38 show the case of the simple solution, and the calculation load is the smallest, but the analysis error is 40% or more. On the other hand, points 39 and 40 show the case of an exact solution, and the analysis error is as small as about 3%, but the calculation load increases.
点37,39,41の○印は、図7に示した架台脚10aが地面28に埋め込められている場合である。点38,40,42の△印は、図8に示した脚10aの下に取り付けられた接地板29が地面28にボルト31で固定されている場合である。
簡易解では、固定条件の入力がないため、固定条件による固有振動数fの変化に対応できず、誤差がばらついており、その誤差は最大で70%にもなる。一方、厳密解では2つの固定状態について良好な解析精度を得ている。本実施の形態でも、固定状態に対応した固定条件を入力するため、同等の良好な精度を得ることができる。
The
In the simple solution, since there is no input of the fixed condition, it cannot cope with the change of the natural frequency f due to the fixed condition, and the error varies, and the error is 70% at the maximum. On the other hand, in the exact solution, good analysis accuracy is obtained for two fixed states. Also in this embodiment, since the fixing condition corresponding to the fixed state is input, the same good accuracy can be obtained.
前述の通り入力するパラメータを厳密解の場合より絞っても、点41,42のように解析誤差は10%程度となり、計算負荷(計算時間)、解析誤差ともに実用的なレベルを満足している。
従って、本実施の形態の架台機構振動解析装置50によれば、現実的にツールとして使用するに耐え得る10%以内の解析誤差を満足することができる。また、架台機構振動解析に必要となる入力値を経験不要な項目に絞り込んで入力することができるので、シミュレーションツールである架台機構振動解析装置50を使用する解析者のスキルによらずに、誰でも簡単に簡易的モデルでの解析が可能となる。
Even if the input parameters are narrowed down as compared with the case of the exact solution as described above, the analysis error is about 10% as shown by
Therefore, according to the gantry mechanism
10 脚部
10a 脚
11 機械
12 天板
13 架台機構
15 ステージ
20a,20b 筋交い
21 要素
22 節点
23 境界条件
24 脚に対応するバネ
25 天板に対応するバネ
26 バネとバネとの接点
28 床面
29 接地板
30 アンカーナット
31 ボルト
32 固定点
33 脚の長手方向軸の付近
50 架台機構振動解析装置
51 パラメータ入力部
52 固有振動数演算部
53 パラメータ選択部
54 パラメータDB(データベース)
55 表示部
56 断面2次モーメント演算部
DESCRIPTION OF
55
Claims (9)
前記脚部の幅と、前記脚部の奥行きと、前記脚部の高さと、前記脚の材料特性と、前記脚の断面形状特性と、前記天板の質量と、前記機械の質量とを入力設定値として前記固有振動数を演算する
ことを特徴とする架台機構振動解析装置。 A platform mechanism comprising: a leg portion in which legs of at least one of a rod-shaped member and a plate-like member are combined in a gantry-like shape; and a plate-shaped top plate supported by the leg portion and having a machine installed on the upper surface thereof. In the platform mechanism vibration analyzer that calculates the natural frequency,
Input the width of the leg, the depth of the leg, the height of the leg, the material characteristics of the leg, the cross-sectional shape characteristics of the leg, the mass of the top plate, and the mass of the machine The gantry mechanism vibration analysis device, wherein the natural frequency is calculated as a set value.
ことを特徴とする請求項1に記載の架台機構振動解析装置。 The fixed state of the leg on the ground contact surface is restricted in the horizontal direction parallel to the ground contact surface, the direction perpendicular to the horizontal direction, and the rotational direction in which the longitudinal axis of the leg rotates. The gantry mechanism vibration analysis device according to claim 1, wherein a value determined to be absent is added to the input set value.
ことを特徴とする請求項1に記載の架台機構振動解析装置。 There is no degree of freedom in the fixed state of the leg on the ground contact surface in the horizontal direction parallel to the ground contact surface and the direction perpendicular to the horizontal direction, and only in the rotational direction in which the longitudinal axis of the leg rotates. The gantry mechanism vibration analysis device according to claim 1, wherein a value determined to be added is added to the input set value.
ことを特徴とする請求項1から3の何れか1項に記載の架台機構振動解析装置。 When the leg portion has a plurality of legs and has a bracing member that connects the legs, the material properties of the bracing member, the cross-sectional shape characteristics, the length, and the installation position in the leg portion, The gantry mechanism vibration analysis apparatus according to any one of claims 1 to 3, wherein the gantry mechanism vibration analysis apparatus is added to an input set value.
ことを特徴とする請求項1に記載の搬送機構運動解析装置。 The transport mechanism motion analysis apparatus according to claim 1, wherein a cross-sectional secondary moment of the leg is used as a cross-sectional shape characteristic of the leg, and a cross-sectional secondary moment is directly input.
ことを特徴とする請求項1に記載の架台機構振動解析装置。 2. The gantry mechanism vibration according to claim 1, wherein a cross-sectional secondary moment of the leg is obtained from the cross-sectional shape and dimensions of the input leg using the cross-sectional secondary moment of the leg as the cross-sectional shape characteristic of the leg. Analysis device.
ことを特徴とする請求項1に記載の架台機構振動解析装置。 The leg cross-sectional moments of the legs are used as the cross-sectional shape characteristics of the legs, and the cross-sectional shapes of the various legs and the cross-sectional secondary moments of the cross-sectional shapes are stored in association with each other and are associated with the designated cross-sectional shapes. 2. The gantry mechanism vibration analysis apparatus according to claim 1, wherein a second moment of inertia is selected.
ことを特徴とする請求項1に記載の架台機構振動解析装置。 The gantry mechanism vibration analysis apparatus according to claim 1, wherein the Young's modulus of the leg material is used as the gantry mechanism material characteristic, and the Young's modulus is directly input.
ことを特徴とする請求項1に記載の架台機構振動解析装置。 Using the Young's modulus of the leg material as the gantry mechanism material characteristic, the material name of each leg and the Young's modulus of the material are stored in association with each other, and the Young's modulus associated with the designated material name is stored. The gantry mechanism vibration analysis device according to claim 1, wherein the gantry mechanism vibration analysis device is selected.
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CN109506865A (en) * | 2018-12-28 | 2019-03-22 | 湖北雷迪特冷却系统股份有限公司 | A kind of vibration tool |
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- 2004-09-30 JP JP2004287769A patent/JP2006098355A/en active Pending
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