JP2011002435A - 風洞天秤較正装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 風洞天秤の姿勢制御の精度向上を図ることができる風洞天秤較正装置、更には、風洞天秤の周囲の作業スペースをより広く確保することができる風洞天秤較正装置を提供する。
【解決手段】 風洞天秤較正装置10は、風洞天秤2に荷重を作用させる荷重付与機構15と、風洞天秤2の姿勢を復元させる姿勢復元機構16とを備え、該姿勢復元機構16は、風洞天秤2を支持する支持プレート20と、支持プレート20の姿勢を6自由度をもって変位可能なアクチュエータ18とから成るパラレルリンク機構として構成されている。
【選択図】図3

Description

本発明は、例えば航空機モデルなどの風洞実験に用いられる天秤を較正するための風洞天秤較正装置に関する。

従来、風圧を作用させた場合に航空機モデルに生じる力及びモーメントを測定すべく風洞実験が行われており、この際、航空機モデルには、力及びモーメントを測定するための風洞天秤が取り付けられる。一般に、風洞天秤には複数の歪みゲージが設けられており、風洞実験において実際に作用した外力とこれにより生じた力又はモーメントとの関係が、この歪みゲージによって検出される。

しかしながら、実際に作用した外力方向とは異なる方向へも歪み（以下、「干渉歪み」という）が生じ、これが歪みゲージによって検出されてしまう場合がある。従って、風洞天秤について、実際の外力方向とは異なる方向に生じる干渉歪みを予め把握しておき、風洞実験によって得られた測定結果を補正する必要がある。そして、このような目的のため、即ち、実際の外力と干渉歪みとの関係を測定するために用いられるのが、風洞天秤較正装置である。

風洞天秤較正装置として、例えば特許文献1に示すようなものが提案されている。これによると、風洞天秤はキャリボディ（キャリブレーション・ボディ）に内挿され、該キャリボディに対し、その周囲を取り囲むように配設された多数の負荷ジャッキが接続されている。また、キャリボディは、これを取り囲むフレームにスティングを介して支持されており、該フレームには多数の復元ジャッキが接続されている。更に、フレームの外方に置かれた負荷ジャッキと内方に置かれたキャリボディとを接続するため、両者を連結するワイヤを通す貫通孔がフレームの各所に設けられている。

この特許文献1に示された風洞天秤較正装置では、負荷ジャッキの駆動によって、キャリボディを介して風洞天秤に6自由度をもって荷重（較正荷重）が作用される。このとき風洞天秤（又はキャリボディ）自体が歪むため、作用点近傍での荷重ベクトルとキャリボディとの相対姿勢が変位してしまうが、復元ジャッキを駆動することによって姿勢を復元しようとしている。このように、荷重ベクトルとキャリボディとの相対姿勢を所定の精度で一定に維持することにより、風洞天秤に対して所望の較正荷重を正確に作用させることができ、この状態で、風洞天秤に生じる歪み（干渉歪みを含む）を測定することによって、荷重と干渉歪みとの関係を正確に測定することができる。

なお、このように較正荷重によるキャリボディの姿勢変位を復元しつつ歪みを測定する手法は、一般にリポジショニング方式と称されており、風洞天秤較正装置として種々存在する方式のうちの一つである。

特許第3298343号公報

しかしながら、特許文献1の風洞天秤較正装置の場合、キャリボディを取り囲むような大型のフレームを介し、スティングとフレームとの接続箇所から離れた位置で復元ジャッキの力を風洞天秤に作用させるため、風洞天秤の姿勢を復元させる際にフレームの歪みも考慮しなければならず、姿勢制御の精度を向上させるのも困難である。

また、風洞天秤の全周囲に、負荷ジャッキに加えてフレーム及び復元ジャッキまでもが配設されており、風洞天秤の近傍には狭小なスペースしかなく、人手による作業性の向上を図るのが困難である。特に、風洞天秤は6自由度をもって姿勢変位するため、これを復元するためには復元ジャッキもまた6自由度をもって風洞天秤を変位可能とする必要がある。そのため、多数の復元ジャッキが風洞天秤の周囲に配設されることになり、作業スペースは益々狭小となってしまう。

そこで本発明は、姿勢制御の精度向上を図ることができる風洞天秤較正装置を提供することを目的とし、更に、風洞天秤の周囲の作業スペースをより広く確保することができる風洞天秤較正装置を提供することを目的とする。

本発明に係る風洞天秤較正装置は、付与された荷重により生じる風洞天秤の歪みを測定する風洞天秤較正装置であって、前記風洞天秤に荷重を作用させる荷重付与機構と、荷重の作用により変位した前記風洞天秤の姿勢を復元させる姿勢復元機構とを備え、該姿勢復元機構は、前記風洞天秤を支持する支持部と、該支持部の姿勢を直交3軸の各軸方向及びこれらの各軸回りの計6自由度をもって変位可能であり、複数の直動アクチュエータが並設されてなる駆動部とから成るパラレルリンク機構である。

このような構成により、風洞天秤の姿勢を高精度で制御することができる。即ち、パラレルリンク機構は、本来的に高い精度で6自由度の姿勢制御を実現することができるが、これを風洞天秤較正装置の姿勢復元機構として採用した場合、高い姿勢制御が得られるのに加え、上記特許文献1のようにフレームの歪みを考慮する必要がなく高い剛性を得ることができる。従って、何トンもの大きな荷重が付与される天秤較正においても、姿勢制御及び姿勢維持を高い精度で実現することができる。

また、前記姿勢復元機構は、前記風洞天秤を前記支持部の一方側にて支持すると共に、前記駆動部は前記支持部の他方側に設けられていてもよい。このような構成とすることにより、風洞天秤の周りを取り囲むように姿勢復元機構の駆動部が配置されておらず、風洞天秤周りに広い作業スペースを確保することができる。

また、前記荷重付与機構は、前記風洞天秤に荷重を作用させるべく、該風洞天秤の周囲に配設された複数のアクチュエータを有しており、このうち、前記風洞天秤内で互いに交差する直交3軸の各軸回りのモーメントを生じさせるモーメント・アクチュエータは、前記風洞天秤の周囲の他の領域に過疎スペースを形成すべく所定領域に偏在して設けられていてもよい。このように、荷重を付与するためのモーメント・アクチュエータを所定領域に偏在させているため、その他の領域に作業スペースを確保することができる。

また、前記荷重付与機構は、前記アクチュエータによる前記風洞天秤への荷重の作用を緩衝する緩衝機構を有していてもよい。このような構成により、風洞天秤はアクチュエータからの付与荷重による衝撃に対して鈍感となるので、風洞天秤に対して過負荷が作用するのを防止することができ、また、荷重を付与する際の荷重付与機構の動作制御が容易に行える。

また、前記荷重付与機構が有するアクチュエータに対し、該アクチュエータの自重を相殺するための外力を付与する自重キャンセル機構を備えていてもよい。このような構成により、アクチュエータの自重が風洞天秤に与える影響を排除して、高精度の較正を行うことができる。

また、前記荷重付与機構及び前記姿勢復元機構の動作を制御する制御部を備えており、該制御部は、前記風洞天秤に荷重を付与している間に、制御対象外のアクチュエータにて所定の荷重が発生した場合に、前記荷重付与機構及び前記姿勢復元機構を停止させるよう構成されていてもよい。

また、前記荷重付与機構及び前記姿勢復元機構の動作を制御する制御部を備えており、該制御部は、荷重を付与し始めてから目標値に到達するまでの間、前記風洞天秤の姿勢を復元しつつ漸次的に荷重を変化させるよう構成されていてもよい。このような構成により、風洞天秤の姿勢変位が小さい状態でこれを復元するため、姿勢復元に伴って周囲から受ける干渉を抑制することができる。例えば、風洞天秤の姿勢が大きく変位した状態からこれを復元しようとすると、復元中の各部のフリクションやアクチュエータの変動が大きく、また自重キャンセル機構を有する場合は、アクチュエータの変動に伴って自重キャンセル機構も大きく変動することになる。そのため、風洞天秤は較正装置の各部から様々な干渉を受けることになる。これに対して、上記のように風洞天秤の姿勢変位が小さい状態でこれを復元すれば、較正装置の各部から風洞天秤に及ぼされる干渉が小さくなり、高精度での較正を行うことができる。

また、前記制御部は、前記風洞天秤の姿勢が所定以上に変位した場合に、前記荷重付与機構及び前記姿勢復元機構を停止させるよう構成されていてもよい。

また、前記風洞天秤の姿勢を検出するための姿勢検出センサを備えており、該姿勢検出センサと前記荷重付与機構とは、互いに異なる支持機構により互いに独立して支持されていてもよい。このような構成により、荷重付与機構の動作が姿勢検出センサの検出精度に与える影響を抑制することができる。

本発明に係る風洞天秤較正装置の運転方法は、風洞天秤に付与する荷重を所定値だけ変化させる荷重付与ステップと、前記所定値だけ荷重が変化した後の前記風洞天秤の姿勢を、所定の姿勢に復元する姿勢復元ステップとを備え、前記荷重付与ステップ及び前記姿勢復元ステップを繰り返すことにより、荷重を予め設定した目標値に到達させるものである。

本発明によれば、風洞天秤の姿勢制御の精度向上を図ることができる風洞天秤較正装置を提供することができ、更に、風洞天秤の周囲の作業スペースをより広く確保することができる風洞天秤較正装置を提供することができる。

風洞天秤を用いた航空機モデルの風洞実験の態様を示す模式図である。 図1に示す風洞天秤を較正するための本発明の実施の形態に係る風洞天秤較正装置を示す斜視図である。 図2に示す風洞天秤較正装置において、外側に組まれたフレームを省略したときの構成を示す斜視図である。 姿勢復元機構を示す斜視図である。 キャリボディを示す斜視図であり、図3に示したキャリボディを後方斜め上方から見下ろしたときの構成を示している。 金具を介してキャリボディと荷重付与機構が有するアクチュエータの1つとが接続された状態を示す正面図であり、荷重付与機構が有する他のアクチュエータは省略している。 アクチュエータ及び緩衝機構の構成を示す図面であり、(a)は斜視図、(b)は断面図を示している。 図3に示す風洞天秤較正装置の平面図であり、上述した荷重付与機構を成すアクチュエータのレイアウトを示している。 レーザ変位計の支持構造を示す斜視図である。 風洞天秤較正装置の機能を説明するブロック図である。 風洞天秤に対して目標とする値に到達するまで荷重を増加させていくときの、風洞天秤較正装置の動作例を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態に係る風洞天秤較正装置について、図面を参照しつつ説明する。図1は、風洞天秤を用いた航空機モデルの風洞実験の態様を示す模式図である。図1に示すように、航空機に関する風洞実験では、実機の外形を縮小して模した航空機モデル1の所定位置に略円柱状の風洞天秤2が内挿・固定され、該風洞天秤2はスティング3を介して風洞（図示せず）の所定箇所に支持されている。この状態で風洞内へ送風すると、風圧により航空機モデル1に生じた力及びモーメントは、風洞天秤2の表面に複数設けられた歪みゲージ（図示せず）によって検出されるようになっている。なお、検出される力としては、航空機モデル1の前後方向に沿った軸力、鉛直方向に沿った垂直力、及び左右方向に沿った横力があり、検出されるモーメントとしては、前後方向の軸回りのローリングモーメント、鉛直方向の軸回りのヨーイングモーメント、及び左右方向の軸回りのピッチングモーメントがある。

図2は、このような風洞天秤2を較正するための本発明の実施の形態に係る風洞天秤較正装置10を示す斜視図であり、図3は、図2に示す風洞天秤較正装置10において、外側に組まれたフレームを省略したときの構成を示す斜視図である。図2に示すように、風洞天秤較正装置10は、フレーム部材がカゴ状に組まれて成る収容枠体11内に、風洞天秤2に較正荷重を作用させる荷重付与機構15と、較正荷重の付与によって変位した風洞天秤2の姿勢を復元させる姿勢復元機構16とを備えた構成となっている。この収容枠体11は、上下方向に開口する2つの鋼製矩形枠体を互いに直交配置したような形状を成して地面に設置される基台フレーム12と、各矩形枠体の角部分に立設された柱状フレーム13と、対向する柱状フレーム13の上端部間に架設された上部フレーム14とから構成されている。そして、これら基台フレーム12、柱状フレーム13、及び上部フレーム14によって、荷重付与機構15及び姿勢復元機構16を収容する内部スペース11aが形成されている。

図3に示すように、姿勢復元機構16は、内部スペース11aにおいて基台フレーム12の中央に配設されており、本実施の形態では後に詳述するようにパラレルリンク機構を採用している。そして、この姿勢復元機構16によって風洞天秤2が支持されている。一方、荷重付与機構15は直動式の電動シリンダなどから成る複数のアクチュエータ17を有しており、各アクチュエータ17はその基端部が収容枠体11の適宜位置にて支持されている。なお、アクチュエータ17は電動シリンダから成るものに限られず、例えば油圧式のアクチュエータであってもよい。

以下、荷重付与機構15及び姿勢復元機構16を含む、風洞天秤較正装置10が備える各コンポーネントの具体的な構成及びレイアウトなどについて詳述する。

図4は、姿勢復元機構16を示す斜視図である。図4に示すように、この姿勢復元機構16は、起立状態で並設された6本の直動アクチュエータ（駆動部）18と、略六角形状を成すベースプレート19と、該ベースプレート19より小寸の略六角形状を成す支持プレート20とを備えている。ベースプレート19の各角部上面には、各アクチュエータ18の基端部（下端部）がユニバーサルジョイント21を介して接続され、支持プレート20の各角部下面には、各アクチュエータ18の先端部（上端部）がユニバーサルジョイント21を介して接続されている。また、各アクチュエータ18は、ボールスプラインが内蔵された電動シリンダで構成されている。

このような構成の姿勢復元機構16は、6本のアクチュエータ18を選択的に伸縮動作させることにより、ベースプレート19に対する支持プレート20の位置を、6自由度をもって変位させることができるパラレルリンク機構を成している。また、この姿勢復元機構16は、6本のアクチュエータ18によって支持プレート20を支持する構成であるため、支持プレート20に関して高い剛性（即ち、高い姿勢維持性能）を確保することができる。

また、支持プレート20の中央には平面視で円形状の輪郭を有する凹部20aが形成され、更にその中心位置には貫通孔20bが形成されている。このうち凹部20aには、支持金具22が内嵌した状態で固定されるようになっており、この支持金具22に風洞天秤2が接続される。従って、支持プレート20が初期状態として水平姿勢であるとき、風洞天秤2は、その軸芯を鉛直方向へ向けた状態で、支持金具22を介して支持プレート20に支持される（図3参照）。また、貫通孔20bは風洞天秤2から引き出された電気配線（図示せず）が通されるようになっており、風洞天秤2が有する歪みゲージ（図示せず）からの出力信号は、この電気配線を通じて外部へ送信することが可能である。このようにして姿勢復元機構16の支持プレート20に支持される風洞天秤2は、荷重付与機構15が発生する較正荷重を受けるべく、該荷重付与機構15に接続される筒状のキャリボディ25に内挿されるようになっている。

なお、姿勢復元機構16は、電動シリンダから成るパラレルリンク機構に限定されるわけではない。即ち、支持プレート20のように風洞天秤2を支持する支持部の姿勢を、直交3軸の各軸方向及びこれらの各軸回りの計６自由度をもって変位可能な駆動部を有するものであって、且つ、風洞天秤2を支持部の一方側にて支持し、駆動部が支持部の他方側に設けられているような構成を備えるものであれば、他の機構を採用することができる。

図5は、キャリボディ25を示す斜視図であり、図3に示したのと同じ向きで見たキャリボディ25の構成を示している。図5に示すように、キャリボディ25は軸芯方向に長寸を成す円筒形状を成しており、縦置きにされた状態でその内部空間25aに風洞天秤2が内挿・固定されるようになっている。キャリボディ25の下部、中央部、及び上部の3箇所は、それぞれ金具接続部26を成している。これら金具接続部26の周面には、キャリボディ25の内外を連通する貫通孔26aを有する平坦かつ矩形状の金具接続面26bが、周方向に8つ形成されており、金具接続部26を平面視すると、その輪郭は略正八角形状を成している。従って、一の金具接続面26bに対して、対向配置された金具接続面26bはこれと平行を成しており、また、1つ挟んで位置する金具接続面26bはこれと直交している。また、各金具接続面26bは、その中心を通る法線がキャリボディ25の軸芯25bに対して直角に交わるようになっている。なお、上下に隣り合う金具接続部26, 26の間の部分は、周面が曲面状であって金具接続部26よりも外径の小さい円筒状を成している。

上記金具接続面26bには、キャリボディ25の重量バランスをとるためのバランス金具29と、後述するレーザ変位計60の測定対象となる被測定金具30と、アクチュエータ17を接続するための第1荷重伝達金具31a（図6参照）とが取り付けられるようになっている。被測定金具30は、角柱状の梁部材30aの両端それぞれから脚部材30bが延設されて門型形状を成しており、貫通孔26aを跨ぐようにして、両脚部材30bの先端が金具接続面26bにおける貫通孔26aを挟む上下箇所にボルト締結されている。このとき、被測定金具30は、キャリボディ25に対して、軸芯25bを中心とする径方向に沿って接続される。また、その他のバランス金具29及び第1荷重伝達金具31aについても、上記被測定金具30と同様に梁部材30a及び脚部材30bを有する門型形状に構成されている。

図6は、第1荷重伝達金具31aを介してキャリボディ25と荷重付与機構15が有するアクチュエータ17の1つとが接続された状態を示す正面図であり、荷重付与機構15が有する他のアクチュエータ17は省略している。図6に示すように、キャリボディ25には、上述した第1荷重伝達金具31aに加え、第2荷重伝達金具31b、ロードセル34、及び緩衝機構36を介してアクチュエータ17が接続されている。より詳しく説明すると、第2荷重伝達金具31bは、肉厚の矩形枠状を成しており、第1荷重伝達金具31aの梁部材30aを巻回するようにして設けられている。なお、これら第1荷重伝達金具31a及び第2荷重伝達金具31bは両者合わせて押し引き金具32を成しており、アクチュエータ17が発生する軸芯25bへ向かう縮径方向に沿った較正荷重、及び軸芯25bから離反する拡径方向に沿った較正荷重の何れをも、キャリボディ25に対して伝達できるようになっている。一方、第2荷重伝達金具31bにはロードセル34が接続されており、該ロードセル34は、キャリボディ25に対する第1荷重伝達金具31aの取り付け方向（即ち、軸芯25bを中心とする縮径方向及び拡径方向）に沿った較正荷重を検出可能になっている。

図7は、アクチュエータ17及び緩衝機構36の構成を示す図面であり、(a)は斜視図、(b)は断面図を示している。図7(a)に示すように、アクチュエータ17及び緩衝機構36は何れも外観視で円柱状を成しており、アクチュエータ17の先端に緩衝機構36が接続されている。

図7(b)に示すように、本実施の形態に係るアクチュエータ17は、ボールスプラインを内蔵する電動シリンダ40とこれを駆動するモータ41とを備え、更に、これら電動シリンダ40及びモータ41は、両者を連動させる機構を内蔵したギヤボックス42に接続されている。電動シリンダ40は、モータ41の駆動により軸芯方向に沿って進退スライド移動するスプライン軸40aを有し、その先端に緩衝機構36が取り付けられている。

緩衝機構36は、アクチュエータ17によるキャリボディ25への荷重の作用を緩衝するものであり、プランジャ45とその一部を収容するシリンダ46とを有している。シリンダ46は円筒状を成しており、一端部46aの中央に貫通孔が形成されている。プランジャ45は、前記貫通孔を通じてシリンダ46の内外にわたって延設されており、シリンダ46内に位置する基端部には拡径方向へ張り出したツバ部45aが設けられている。また、プランジャ45においてシリンダ46の外部に位置する先端部には、プランジャ45よりも外径寸法の大きいストッパ47が取り付けられている。そして、シリンダ46内には、その一端部46aの内面とプランジャ45のツバ部45aとの間に第1緩衝手段48aが収容され、一端部46aの外面とストッパ47との間には第2緩衝手段48bが設けられている。本実施の形態では、何れの緩衝手段48a, 48bも、適宜枚数だけ円環状の皿バネが重ねられた構成となっており、且つその中心孔にプランジャ45が挿通されるようにして配設されている。

このような緩衝機構36は、アクチュエータ17の駆動によりキャリボディ25へ較正荷重を付与するに際し、過負荷が作用するのを防止する。即ち、電動シリンダ40を伸長させて押し荷重を付与する場合は、第1緩衝手段48aが圧縮されることにより、キャリボディ25に対して急激に大きな押し荷重が作用するのを防止する。また、電動シリンダ40を縮退させて引き荷重を付与する場合は、第2緩衝手段48bが圧縮されることにより、キャリボディ25に対して急激に大きな引き荷重が作用するのを防止する。更に、キャリボディ25は、アクチュエータ17が発生する荷重に対する応答速度が緩和され、例えば、突発的な荷重の作用に対しては敏感に応答しないようになっているため、目標とする値まで荷重を増加させていく際に、アクチュエータ17の動作制御を容易に行い得る。

図6に示すように、上述したアクチュエータ17は、ギヤボックス42に取り付けられたユニバーサルジョイント43（図7(a)も参照）を介して収容枠体11に適宜箇所に接続されており、且つ、自重キャンセル機構50によってアクチュエータ17の重量がキャリボディ25に作用しないようになっている。この自重キャンセル機構50は、本実施の形態においては「てこ」を利用した天秤装置となっており、収容枠体11の上部フレーム14に垂設された支持部材51と、該支持部材51に支点を支持されたアーム部材52とを備えている。また、アクチュエータ17は、アーム部材52の一端（作用点）から垂らされたワイヤによって吊り下げられ、他端（力点）から垂らされたワイヤにはオモリ53が吊り下げられている。従って、支点の位置及び／又はオモリ53の質量を適宜調整することにより、支点回りの力点及び作用点のモーメントが釣り合って、アクチュエータ17の重量に等しく向きが正反対の力を該アクチュエータ17に付与することができる。

図6に示すように、キャリボディ25にも、同様の構成を有する自重キャンセル機構50が接続されている。具体的には、キャリボディ25の上部に設けられた金具接続部26において、軸芯25bを挟んで対向配置された2つの金具接続面26bには、拡径方向へ延びる自重支持アーム55が夫々接続されている。これらの自重支持アーム55の先端が、アーム部材52の一端（作用点）から垂らされたワイヤの下端に連結され、アーム部材52の他端（力点）にはオモリ53がワイヤによって吊り下げられている。そして、アーム部材52自体は、収容枠体11の上部フレーム14に垂設された支持部材51によって支持されている。なお、図6では一方の自重支持アーム55に接続された自重キャンセル機構50のみを示しているが、他方の自重支持アーム55についても同様の自重キャンセル機構50が接続される。

図8は、図3に示す風洞天秤較正装置10の平面図であり、上述した荷重付与機構15を成すアクチュエータ17のレイアウトを示している。図8に示すように、本実施の形態に係る荷重付与機構15は、アクチュエータ17を合計９つ備えている。このうち3つは、風洞天秤2（即ち、キャリボディ25）に対して、該風洞天秤2内で互いに直交する3軸であるX軸Ax、Y軸Ay、Z軸Az（図3も参照）の各軸方向に平行な較正荷重を付与する第1アクチュエータ17a〜17cであり、残りの6つは、風洞天秤2に対して各軸回りにモーメントを作用させるための第2アクチュエータ（モーメント・アクチュエータ）17d〜17iである。

より詳しく説明すると、図3に示すように、風洞天秤較正装置10には、風洞天秤2内の所定位置で互いに直交する3つの軸が設定されており、これらは、風洞天秤2の軸芯と一致する鉛直方向に向けられたX軸Axと、該X軸Axに直交すると共に互いに直交するY軸Ay，Z軸Azとから成る。そして、第1アクチュエータ17aは、上部フレーム14に垂設されてキャリボディ25の上部に接続され、X軸Axに沿う鉛直方向に較正荷重を付与可能になっている。第1アクチュエータ17b, 17cは、何れも柱状フレーム13に支持されると共に上記自重キャンセル機構50に吊り下げられた状態で、キャリボディ25の上下方向中央に設けられた金具接続部26に接続されている。そして図8に示すように、第1アクチュエータ17bは、キャリボディ25に対してY軸Azに沿う水平方向に較正荷重を付与可能であり、第1アクチュエータ17cは、キャリボディ25に対してZ軸Ayに沿う水平方向に較正荷重を付与可能になっている。

一方、第2アクチュエータ17d〜17iのうち、第2アクチュエータ17d, 17eは、X軸Ax回りのモーメントを生じさせるものであり、第2アクチュエータ17f, 17gは、Z軸Az回りのモーメントを生じさせるものであり、第2アクチュエータ17h, 17iは、Y軸Ay回りのモーメントを生じさせるものである。また、各第2アクチュエータ17d〜17iは、何れも柱状フレーム13の適宜箇所に支持され、且つ自重キャンセル機構50に吊り下げられた状態となっている。

Z軸Azに対応する第2アクチュエータ17f, 17gは、上下に且つ互いに平行に位置し、キャリボディ25を挟んで上記第1アクチュエータ17cとは反対側に設けられている。上側の第2アクチュエータ17fは、キャリボディ25の上部に設けられた金具接続部26に接続され、下側の第2アクチュエータ17gは、キャリボディ25の下部に設けられた金具接続部26に接続されている（図5の太矢印で示す箇所を参照）。従って、第2アクチュエータ17f, 17gのうち一方を伸長させ他方を縮退させることにより、風洞天秤2（即ち、キャリボディ25）にはZ軸Az回りのモーメントが作用する。

Y軸Ayに対応する第2アクチュエータ17h, 17iは、上下に且つ互いに平行に位置し、キャリボディ25を挟んで上記第1アクチュエータ17bとは反対側に設けられている。上側の第2アクチュエータ17hは、キャリボディ25の上部に設けられた金具接続部26に接続され、下側の第2アクチュエータ17iは、キャリボディ25の下部に設けられた金具接続部26に接続されている（図5の太矢印で示す箇所を参照）。従って、第2アクチュエータ17h, 17iのうち一方を伸長させ他方を縮退させることにより、風洞天秤2（即ち、キャリボディ25）にはY軸Ay回りのモーメントが作用する。

X軸Axに対応する第2アクチュエータ17d, 17eは、左右に且つ互いに平行に位置し、第2アクチュエータ17f, 17gと第2アクチュエータ17h, 17iとの間の狭小なスペースS1に配設されている。換言すれば、図8に示すように平面視したとき、互いに直交配置された第2アクチュエータ17f, 17gと第2アクチュエータ17h, 17iとにより、キャリボディ25の回りの空間は、1つの象限に相当する狭いスペースS1（二点鎖線で囲まれた領域を参照）と、残りの3つの象限に相当する広いスペース（過疎スペース）S2とに区切られるが、上記第2アクチュエータ17d, 17eは、これらのうち狭い方のスペースS1に設けられている。

ここで、キャリボディ25の上下方向中央に設けられた金具接続部26には、2つの荷重伝達アーム56が取り付けられている。この荷重伝達アーム56は、キャリボディ25の軸芯25bを挟んで対向配置された2つの金具接続面26bから、軸芯25bを中心とする拡径方向へと夫々延設されている。そして、これら荷重伝達アーム56の先端部に、第2アクチュエータ17d, 17eが接続されている。従って、第2アクチュエータ17d, 17eのうち一方を伸長させ他方を縮退させることにより、風洞天秤2（即ち、キャリボディ25）には、X軸Ax回りのモーメントが作用する。

なお、上記のように、本実施の形態に係る荷重付与機構15では、平面視したときの1つの象限に相当するスペースS1に、6本の第2アクチュエータ17d〜17iが偏在されており、その他の3つの象限に相当する広いスペースS2には、2本の第1アクチュエータ17b, 17cのみが配設されているだけである。しかも、姿勢復元機構16は、支持プレート20の上側にて風洞天秤2を支持する一方、駆動部を成すアクチュエータ18は支持プレート20の下側にのみ配置されている。従って、キャリボディ25の近傍には、荷重付与機構15の第2アクチュエータ17d〜17iや、姿勢復元機構16のアクチュエータ18に邪魔されない広いスペースS2を確保でき、メンテナンス時の作業性の向上が図られている。

なお、アクチュエータ17の配置は図8に示した態様（配置・数量など）に限定されるものではない。良好な作業性が得られる過疎スペースを確保できる範囲で、他のレイアウトを採用することもできる。例えば、図8に示した構成に対し、X軸Ax回りのモーメントを生じさせる第2アクチュエータ17d, 17eを、平面視したときの第1アクチュエータ17cと第2アクチュエータ17h, 17iとの間に位置させてもよいし、第1アクチュエータ17bと第2アクチュエータ17f, 17gとの間に位置させてもよい。前者の場合には、2つの象限内に実質的に第1アクチュエータ17bのみが配置された過疎スペースが形成され、後者の場合には、2つの象限内に実質的に第1アクチュエータ17cのみが配置された過疎スペースが形成される。

図5に示すように、風洞天秤較正装置10は、キャリボディ25の正確な位置（又は変位）を検出するために、6つのレーザ変位計60a〜60fを備えている。本実施の形態では、キャリボディの軸芯を挟んで第2アクチュエータ17fとは反対側に位置する金具接続面26bに接続される被測定金具30 (301)に対して3つのレーザ変位計60a〜60cが設けられ、第2アクチュエータ17g, 17h, 17iの夫々とは反対側に位置する各金具接続面26bに接続される被測定金具30 (302〜304)）の夫々に対して、各1つのレーザ変位計60d, 60e, 60fが設けられている。

このうち第2アクチュエータ17fの反対側に位置する被測定金具30 (301)に対しては、その上側の脚部材30bの上面、即ち、X軸Axに直交する面に対向してレーザ変位計60aが、梁部材30aにおいてZ軸Azに直交する面に対向してレーザ変位計60bが、梁部材30aにおいてY軸Ayに直交する面に対向してレーザ変位計60cが、それぞれ配設されている。

また、第2アクチュエータ17gの反対側に位置する被測定金具302に対しては、その梁部材30aにおいてY軸Ayに直交する面に対向してレーザ変位計60dが配設されている。即ち、上述した上側の被測定金具301に対して設けられたレーザ変位計60cと同様に、下側の被測定金具302に対してもレーザ変位計60dが設けられている。そして、上下のレーザ変位計60c, 60dにより、キャリボディ25のZ軸Az回りの回転変位を検出することができる。

第2アクチュエータ17h, 17iの夫々の反対側に位置する被測定金具303, 304の夫々にも、それらの梁部材30aにおいてZ軸Azに直交する面に対向してレーザ変位計60e, 60fが設けられている。従って、上下のレーザ変位計60e, 60fにより、キャリボディ25のY軸Ay回りの回転変位を検出することができる。

また、上述したレーザ変位計60a〜60fのうち、レーザ変位計60c,60dの出力の平均値により、Y軸Ayに沿った方向の変位を検出することができ、レーザ変位計60e,60fの出力の平均値により、Z軸Azに沿った方向の変位を検出することができる。そして、レーザ変位計60aにより、X軸Axに沿った方向の変位を検出する。

更に、上記レーザ変位計60b, 60eにより、キャリボディ25のX軸Ax回りの回転変位を検出することができる。即ち、例えば、両レーザ変位計60b, 60eのうち、レーザ変位計60bのみから変位が検出された場合（あるいは、レーザ変位計60bの変位量に比べてレーザ変位計60eの変位量が非常に小さい場合）には、キャリボディ25はX軸Ax回りに回転変位したと判断される。なお、レーザ変位計60b, 60eの両方から同一方向へ同一寸法の変位が検出された場合は、キャリボディ25はZ軸Az方向へ変位したと判断できる。

このように、本実施の形態に係る風洞天秤較正装置10では、6つのレーザ変位計60a〜60fにより、キャリボディ25（即ち、風洞天秤2）の6自由度にかかる変位を検出することができる。

図9は、レーザ変位計60a〜60fの支持構造を示す斜視図である。図9に示すように、全てのレーザ変位計60a〜60fは、図1に示した収容枠体11とは別個独立して地面に設置されるセンサ支持枠61により支持されている。センサ支持枠61は、下端部が地面に固定される3本の支柱62の上部に、トラス状構造体63が設けられた構成となっている。該トラス状構造体63は、2本の支柱62の上部間にわたされた第1架橋部材64と、残りの1本の支柱62の上部から第1架橋部材64にわたされた第2架橋部材65と、架橋部材64, 65の接続箇所から上方へ延びる支持プレート66と、各支柱62の上部から支持プレート66の上端部へ延びる3本の傾斜柱67とを有している。そして、支持プレート66には、適宜形状を有するブラケット68を介して上記レーザ変位計60a〜60fが取り付けられている。

このように、収容枠体11とは別個独立したセンサ支持枠61は、荷重付与機構15、姿勢復元機構16、及び自重キャンセル機構50などの重量やアクチュエータ17,18の動作が影響して変形や振動を生じることがなく、且つ、トラス状構造体63に組み込まれた支持プレート66は変位しにくく高い剛性を有している。従って、レーザ変位計60a〜60f自体の位置の変動を極力抑制することができ、キャリボディ25の変位の検出精度の向上が図られている。

図10は、以上に説明した風洞天秤較正装置10の機能を説明するブロック図である。図10に示すように、風洞天秤較正装置10は、マイクロプロセッサ等から成る制御部70と、これに接続されてキーボード又は押しボタン等から成る操作部71とを備えている。制御部70は、荷重付与機構15の動作を制御するための荷重付与制御部70aと、姿勢復元機構16の動作を制御するための姿勢復元制御部70bとから構成されており、好ましくは、荷重付与制御部70a及び姿勢復元制御部70bは互いに独立したデバイスから成っている。このように機能に応じて装置を分散化することにより、システムの安定稼働を実現することができる。

そして、荷重付与制御部70aには、既に説明した荷重付与機構15が有するアクチュエータ17a〜17iとロードセル34とが接続され、姿勢復元制御部70bには、姿勢復元機構16が有するアクチュエータ18とレーザ変位計60a〜60fとが接続されている。また、風洞天秤較正装置10は、各種の計測を行うために計測部75を制御部70とは別個に備えており、上記ロードセル34、レーザ変位計60a〜60f、及び風洞天秤2に設けられた歪みゲージ73がこの計測部75に接続されている。

このような風洞天秤較正装置10は、オペレータが操作部71を操作することにより、及び／又は、所定のプログラムに従って、風洞天秤2を較正するための動作を実行する。図11は、風洞天秤2に対して目標とする値に到達するまで荷重を増加させていくときの、風洞天秤較正装置10の動作例を示すフローチャートである。図11に示すように、風洞天秤較正装置10は、荷重付与機構15が駆動して風洞天秤2に較正荷重が付与する。この際、較正荷重の最終目標値に到達するまで、姿勢を大きく変化させないように徐々に荷重を増加させるべく、付与荷重を所定値だけ増加させる（S1）。その後、ステップ1において新たに付与された分の荷重によりキャリボディ25の姿勢に生じた変位をレーザ変位計60a〜60fからの検出値に基づいて取得し（S2）、これに基づいて、姿勢復元機構16により復元させる（S3）。この姿勢復元においては、較正荷重の作用点でのアクチュエータ17に対するキャリボディ25の姿勢が、初期状態を所定の精度で維持できるようにする。

次に、ステップ3での姿勢の復元を終えると、ロードセル34からの検出値に基づき、付与荷重が、予め設定した目標値に到達したか否かを判断する（S4）。ここで、目標値に到達していなければ（S4：NO）ステップ1からの動作を再実行し、目標値に到達するまでの間、所定値分の荷重の増加（S1）と変位検出及び姿勢復元（S2,S3）とを繰り返す。一方、目標値に到達していれば（S4：YES）、較正荷重ベクトルとキャリボディ25との相対姿勢を一定に維持させた状態で、風洞天秤2の歪みゲージ73から検出信号を取得する。これにより、所定の較正荷重を付与した場合に、風洞天秤2に生じる正規の歪みの他、見かけ歪みを正確に検出することができる（S5）。

なお、荷重を目標値に至るまで増加させていく間、ロードセル34の検出値に基づき、適切な荷重が付与されるようにフィードバック制御を行う。また、緩衝機構36により、較正荷重の付与によるキャリボディ25への過負荷の作用は緩和されるようになっている。また、ステップ1にて増加させる荷重の値は、アクチュエータ17の動作特性と緩衝機構36による緩衝性能とを考慮して、キャリボディ25に過負荷を与えない条件の下で適宜決定することができる。そして、1回のステップで増加させる荷重の値は、姿勢復元時のフリクションやアクチュエータ17等の動作による影響を極力抑制する観点からは小さいほど好ましく、較正処理の早期完了という観点からは大きいほど好ましい。

ところで、風洞天秤較正装置10の適正な運転を保証するために、以下のような処理を行うことが好ましい。即ち、ステップ1〜3の動作を繰り返すことにより、キャリボディ25の姿勢は、荷重が目標値に到達するまでほぼ一定に保たれている。そこで、荷重が目標値に到達するまでの間に、キャリボディ25の姿勢が所定以上に変位した場合には、荷重付与機構15及び姿勢復元機構16の動作を停止させる処理を行う。このような処理は、所定以上の変位を検出した時点で、図11に示したルーチンに対して割り込み処理として実行すればよい。

また、キャリボディ25に荷重を付与するに際し、一部のアクチュエータ17のみを使用して他を使用しない場合がある。この場合、使用しない（即ち、制御対象外の）アクチュエータ17に取り付けられたロードセル34は、適正運転時にはゼロになるはずである。従って、制御対象外のアクチュエータ17に対応するロードセル34から、所定値以上の荷重が検出された場合には、荷重付与機構15及び姿勢復元機構16の動作を停止させる処理を行う。このような処理も、所定値以上の荷重を検出した時点で、図11に示したルーチンに対して割り込み処理として実行すればよい。 このようにして較正作業時点における、荷重と歪みとの関係が測定され、風洞天秤2の特性が把握される。そして、風洞実験を行う際には、このような風洞天秤2の特性に基づき、風圧を受けた航空機モデルに生じる力及びモーメントを補正することで、航空機モデルの空力特性をより正確に把握することができる。

本発明は、風洞天秤の姿勢制御の精度向上を図ることができる風洞天秤較正装置、更には、風洞天秤の周囲の作業スペースをより広く確保することができる風洞天秤較正装置に適用することができる。

1 航空機モデル
2 風洞天秤
10 風洞天秤較正装置
11 収容枠体
15 荷重付与機構
16 姿勢復元機構
17, 17a〜17i アクチュエータ
18 アクチュエータ（駆動部）
25 キャリボディ
32 押し引き金具
36 緩衝機構
50 自重キャンセル機構
60a〜60f レーザ変位計
70 制御部
70a 荷重付与制御部
70b 姿勢復元制御部
Ax X軸
Ay Y軸
Az Z軸
S1 スペース
S2 スペース（過疎スペース）

Claims (10)

1. 付与された荷重により生じる風洞天秤の歪みを測定する風洞天秤較正装置であって、
   前記風洞天秤に荷重を作用させる荷重付与機構と、荷重の作用により変位した前記風洞天秤の姿勢を復元させる姿勢復元機構とを備え、
   該姿勢復元機構は、
   前記風洞天秤を支持する支持部と、
   該支持部の姿勢を直交3軸の各軸方向及びこれらの各軸回りの計6自由度をもって変位可能であり、複数の直動アクチュエータが並設されてなる駆動部と
   から成るパラレルリンク機構であることを特徴とする風洞天秤較正装置。
2. 前記姿勢復元機構は、前記風洞天秤を前記支持部の一方側にて支持すると共に、前記駆動部は前記支持部の他方側に設けられていることを特徴とする請求項1に記載の風洞天秤較正装置。
3. 前記荷重付与機構は、前記風洞天秤に荷重を作用させるべく、該風洞天秤の周囲に配設された複数のアクチュエータを有しており、このうち、前記風洞天秤内で互いに交差する直交3軸の各軸回りのモーメントを生じさせるモーメント・アクチュエータは、前記風洞天秤の周囲の他の領域に過疎スペースを形成すべく所定領域に偏在して設けられていることを特徴とする請求項1又は2に記載の風洞天秤較正装置。
4. 前記荷重付与機構は、前記アクチュエータによる前記風洞天秤への荷重の作用を緩衝する緩衝機構を有していることを特徴とする請求項３に記載の風洞天秤較正装置。
5. 前記荷重付与機構が有するアクチュエータに対し、該アクチュエータの自重を相殺するための外力を付与する自重キャンセル機構を備えることを特徴とする請求項３又は４に記載の風洞天秤較正装置。
6. 前記荷重付与機構及び前記姿勢復元機構の動作を制御する制御部を備えており、該制御部は、前記風洞天秤に荷重を付与している間に、制御対象外のアクチュエータにて所定の荷重が発生した場合に、前記荷重付与機構及び前記姿勢復元機構を停止させるよう構成されていることを特徴とする請求項３乃至５の何れかに記載の風洞天秤較正装置。
7. 前記荷重付与機構及び前記姿勢復元機構の動作を制御する制御部を備えており、該制御部は、荷重を付与し始めてから目標値に到達するまでの間、前記風洞天秤の姿勢を復元しつつ漸次的に荷重を変化させるよう構成されている請求項１乃至６の何れかに記載の風洞天秤較正装置。
8. 前記制御部は、前記風洞天秤の姿勢が所定以上に変位した場合に、前記荷重付与機構及び前記姿勢復元機構を停止させるよう構成されていることを特徴とする請求項７に記載の風洞天秤較正装置。
9. 前記風洞天秤の姿勢を検出するための姿勢検出センサを備えており、該姿勢検出センサと前記荷重付与機構とは、互いに異なる支持機構により互いに独立して支持されていることを特徴とする請求項１乃至８の何れかに記載の風洞天秤較正装置。
10. 風洞天秤に付与する荷重を所定値だけ変化させる荷重付与ステップと、
    前記所定値だけ荷重が変化した後の前記風洞天秤の姿勢を、所定の姿勢に復元する姿勢復元ステップとを備え、
    前記荷重付与ステップ及び前記姿勢復元ステップを繰り返すことにより、荷重を予め設定した目標値に到達させることを特徴とする、請求項1に記載の風洞天秤較正装置の運転方法。
    

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