JP2013117404A - 耐久試験装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 アクチュエータの駆動により移動する移動部材を備えた供試体に対して振動を付与するときに、移動部材の移動による負荷制御への影響を低減し、負荷用アクチュエータの追従性を向上させた耐久試験装置を提供する。
【解決手段】 この耐久試験装置１０は、ベース１１上の供試体載置部に固定され、モータ２１の駆動により移動するロッド２２を備えた供試体２０に対して耐久試験を実行するものであり、供試体２０に対して荷重を付与する負荷用アクチュエータとしての油圧シリンダ３１と、油圧シリンダ３１を負荷軸方向に移動させる移動用アクチュエータとしての油圧シリンダ４１を備える。この油圧シリンダ３１と油圧シリンダ４１は、ベース１１上に直列に配置されている。
【選択図】 図１

Description

この発明は、供試体に対して試験力を付与することにより耐久試験を行う耐久試験装置に関し、特に、アクチュエータの駆動により移動する移動部材を備えた供試体に対して耐久試験を行う耐久試験装置に関する。

供試体に対し、油圧シリンダ等を利用して繰り返し試験力を付与することにより、供試体の耐久力を試験する耐久試験装置は、例えば、車両の耐久試験等において利用されている（特許文献１参照）。

このような耐久試験装置におけるサーボ制御機構は、供試体に対する負荷の大きさや供試体の変位量を常に測定しており、その目標値とフィードバック信号との差（偏差）に対して所定の制御ゲインを乗算したものを制御信号として、油圧シリンダ等のアクチュエータを制御している。

ここで、供試体が試験片であったり、応力が付与されることにより変形する受動部品であった場合には、フィードバック制御に利用される制御ゲインは、供試体の剛性に大きく依存する。すなわち、供試体の剛性が高い場合には、アクチュエータは少ないストローク量で大きな荷重が発生することになるため、制御ゲインを小さく設定する必要がある。これに対して、供試体の剛性が低い場合には、荷重を発生させるために必要となるアクチュエータのストロークが大きくなることから、制御ゲインを大きく設定する必要がある。

上述した特許文献１に記載の耐久試験装置は、車両等の静止した供試体を対象としている。これに対して、供試体に対してモータ等のアクチュエータを搭載し、供試体がアクチュエータによる駆動を実行した状態で耐久性を評価する必要がある場合も生ずる。図３は、アクチュエータによる駆動を実行した供試体７２に対して耐久性を評価する従来の耐久試験装置による試験態様を示す概要図である。これらの耐久試験装置は、アクチュエータにより伸縮する移動部材７３を備えた供試体７２に対して耐久試験を行うためのものである。なお、この供試体７２は、ベース７１上に固定されている。

図３（ａ）に示す耐久試験装置は、供試体７２における移動部材７３に対して、重錘８２をワイヤー８１を介して接続した構成を有する。この耐久試験装置においては、供試体７２における移動部材７３を往復運動させることにより、この移動部材７３に対して、常に一定の引っ張り荷重を負荷した状態で、耐久試験を実行することが可能となる。

図３（ｂ）に示す耐久試験装置は、油圧シリンダ８３におけるシリンダロッド８４を、ロードセル等の荷重検出器８５を介して供試体７２における移動部材７３に接続した構成を有する。この耐久試験装置においては、供試体７２における移動部材７３を往復運動させるとともに、油圧シリンダ８３内の圧力を、リリーフ弁などを使用して一定圧力に保つことにより、一定負荷を付与した状態での耐久試験を実行することが可能となる。

図３（ｃ）に示す耐久試験装置は、バネ８６に接続されたロッド８７を、ロードセル等の荷重検出器８５を介して供試体７２における移動部材７３に接続した構成を有する。この耐久試験装置においては、移動部材７３のストローク量に比例した負荷を供試体７２に付与することが可能となる。

ところで、例えば図３（ｂ）に示す耐久試験装置にサーボバルブのような制御弁を取り付け、アクチュエータにより駆動された供試体７２に対して負荷を与えることにより、耐久性を評価する耐久試験を実行する場合においては、供試体７２における移動部材７３の移動ストロークに併せて耐久試験装置における油圧シリンダ８３のシリンダロッド８４を移動させながら、供試体７２に対して荷重を発生させる必要が生ずる。このような場合においては、供試体７２の剛性が高い場合においても、供試体７２における移動部材７３の移動ストロークが大きい場合には、油圧シリンダ８３のシリンダロッド８４も大きなストロークで移動させる必要が生ずることから、上述した、供試体の剛性が高い場合に制御ゲインを小さく設定するという関係が成り立たなくなる。

このような場合においては、通常のサーボ制御を行う場合に、剛性の高い供試体における移動部材を移動させながら、耐久試験装置の油圧シリンダ８３を利用して供試体が受ける荷重を制御しようとすると、耐久試験装置の油圧シリンダ８３のシリンダロッド８４の移動が移動部材の移動速度に追従することができず、供試体におけるアクチュエータが過負荷状態になってしまう場合がある。また、耐久試験装置における油圧シリンダ８３の追従性を向上させようとして制御ゲインを大きくすると、ハンチング現象を発生するという問題がある。

このため、油圧シリンダにおけるシリンダロッドと、供試体における移動部材との間に、板バネを使用した弾性機構を介在させることにより、ハンチング現象の発生を防止しながら、油圧シリンダの追従性を向上させた耐久試験装置が提案されている（特許文献２参照）。

特開２００７−３０３８９３号公報 特開２０１１−１８０１０６号公報

特許文献２に記載の耐久試験装置は、弾性機構により負荷系全体の剛性を小さくし、油圧シリンダの制御ゲインを大きな値に設定した場合でも、ハンチング現象を発生させることなく、油圧シリンダの追従性を向上させることができるものであるが、供試体に対する荷重の大きさや荷重の変化速度等に応じて、弾性機構の板バネを、バネ定数の異なる板バネに交換する必要があり、試験の準備に手間がかかるという問題が生じる。また、弾性機構に使用できる板バネの性能にも限界があり、供試体の移動部材の移動速度に油圧シリンダが追従しきれなくなる場合もある。

この発明は上記課題を解決するためになされたものであり、アクチュエータの駆動により移動する移動部材を備えた供試体に対して試験力を付与するときに、移動部材の移動による負荷制御への影響を低減し、負荷用アクチュエータの追従性を向上させた耐久試験装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、アクチュエータの駆動により移動する移動部材を備えた供試体に対して試験力を付与することにより、耐久試験を行う耐久試験装置であって、前記供試体を固定する載置部を有する基台と、前記移動部材のストローク量を検出するストローク検出器と、前記供試体における前記移動部材に負荷を与える負荷用アクチュエータと、前記基台上に配設されるとともに、前記負荷用アクチュエータに接続され、当該負荷用アクチュエータの負荷軸方向への水平移動を許容するスライド機構と、前記基台上に固定され、前記負荷用アクチュエータを移動させる移動用アクチュエータと、前記ストローク検出器により検出された前記移動部材のストローク量に応じて、前記移動用アクチュエータを動作させる移動用アクチュエータ制御機構と、を備えたことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記供試体が受ける荷重を検出する荷重検出器と、前記負荷用アクチュエータのストローク量を検出する第２のストローク検出器と、前記移動用アクチュエータのストローク量を検出する第３のストローク検出器と、前記荷重検出器、または、前記第２のストローク検出器から受信した検出信号をフィードバック情報として、前記負荷用アクチュエータを動作させる負荷用アクチュエータ制御機構と、をさらに備え、前記移動用アクチュエータ制御機構は、前記移動部材のストローク量を検出するストローク検出器と、前記第３のストローク検出器とから受信した検出信号を利用して、前記移動用アクチュエータを動作させる。

請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の発明において、前記負荷用アクチュエータと前記移動用アクチュエータは、油圧シリンダである。

請求項４に記載の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の発明において、前記供試体におけるアクチュエータは、モータである。

請求項１乃至請求項４に記載の発明によれば、アクチュエータの駆動により移動する移動部材を備えた供試体に対して試験力を付与することにより耐久試験を行う耐久試験装置において、負荷用アクチュエータをスライド機構上に配設し、供試体の移動部材のストローク量に応じて移動用アクチュエータの動作を制御して負荷用アクチュエータを移動させることから、供試体の移動部材の移動が負荷制御に及ぼす影響を低減することができる。このため、負荷制御の安定性が向上し、移動部材を備えた供試体であっても、負荷用アクチュエータの追従性が良好な耐久試験を実行することが可能となる。

この発明に係る耐久試験装置１０の概要図である。 耐久試験装置１０の制御系のブロック図である。 アクチュエータによる駆動を実行した供試体７２に対して耐久性を評価する従来の耐久試験装置による試験態様を示す概要図である。

以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、この発明に係る耐久試験装置１０の概要図である。

この耐久試験装置１０は、ベース１１上の供試体載置部に固定された供試体２０に対して耐久試験を実行するものである。なお、この供試体２０としては、アクチュエータとしてのモータ２１を備え、移動部材としてのロッド２２を所定ストロークで往復移動させる構成を有する。このような供試体は、産業用ロボットや、輸送機の操舵装置、あるいは、パワーアシスト装置等に使用される。

この発明に係る耐久試験装置１０は、供試体２０に対して荷重を付与する負荷用アクチュエータとしての油圧シリンダ３１と、油圧シリンダ３１を負荷軸方向に移動させる移動用アクチュエータとしての油圧シリンダ４１を備える。この油圧シリンダ３１と油圧シリンダ４１は、ベース１１上に直列に配置されている。

油圧シリンダ３１は、シリンダロッド３２の往復移動を制御するための制御弁３３と、シリンダロッド３２の移動ストロークを検出するためのストローク検出器３５を備える。油圧シリンダ３１のシリンダロッド３２は、荷重検出器であるロードセル１２と接続部材２６を介して、供試体２０のロッド２２と接続されている。また、油圧シリンダ３１は、負荷軸方向の水平移動を許容するスライド機構３９を介して、ベース１１上に配設されている。

油圧シリンダ４１は、シリンダロッド４２の往復移動を制御するための制御弁４３と、シリンダロッド４２の移動ストロークを検出するためのストローク検出器４５を備える。また、油圧シリンダ４２は、固定具４９によりベース１１上に固定されている。油圧シリンダ４１のシリンダロッド４２は、接続部材３６を介して油圧シリンダ３１に接続されている。これにより、油圧シリンダ４２は、シリンダロッド４２のストローク量に応じた距離分、油圧シリンダ３１をベース１１上で水平移動させる。

図２は、耐久試験装置１０の制御系のブロック図である。

この耐久試験装置１０は、記憶装置としてのＲＡＭ、ＲＯＭ、および演算装置としてのＣＰＵを内装した制御装置（図示せず）により装置全体を制御されている。この耐久試験装置１０においては、制御装置の記憶・演算機能を利用した、負荷用アクチュエータ制御機構５１および移動用アクチュエータ制御機構５２が構成されている。なお、負荷用アクチュエータ制御機構５１は油圧シリンダ３１を制御対象とし、移動用アクチュエータ制御機構５２は油圧シリンダ４１を制御対象としている。

この耐久試験装置１０により耐久試験を行うときには、図２に示すように、供試体制御部５３から供試体２０におけるモータ２１に駆動信号を与え、ロッド２２を移動させる。このときのロッド２２のストローク量は、ストローク検出器２５により検出される。このストローク検出器２５の検出信号は、移動用アクチュエータ制御機構５２において、アンプ６１を介して、油圧シリンダ４１のシリンダロッド４２の移動指令信号として利用される。

油圧シリンダ４１のシリンダロッド４２の移動は、制御弁４３の駆動を調節することにより実現される。油圧シリンダ４１のシリンダロッド４２のストローク量は、ストローク検出器４５により検出される。このストローク検出器４５の検出信号は、移動指令信号に対して、アンプ６２を介してフィードバックされる。そして、移動指令信号とストローク検出器４５による検出信号の偏差に応じた制御弁４３の駆動信号が、アンプ６３を介して油圧シリンダ４１に与えられることにより、供試体２０におけるロッド２２のストローク量に応じた油圧シリンダ４１の動作が行われる。

ここで、油圧シリンダ４１におけるシリンダロッド４２のストローク量は、シリンダロッド４２に接続された油圧シリンダ３１の、スライド機構３９による負荷軸方向の移動量となる。そして、油圧シリンダ４１が動作することにより、油圧シリンダ３１は、シリンダロッド４２のストローク量に応じた距離分、ベース１１上を水平移動する。

油圧シリンダ３１のシリンダロッド３２の移動は、制御弁３３の駆動を調節することにより実現される。油圧シリンダ３１のシリンダロッド３２のストローク量は、ストローク検出器３５により検出される。また、油圧シリンダ３１のシリンダロッド３２の往復運動により発生する供試体２０への負荷は、ロードセル１２により検出される。負荷用アクチュエータ制御機構５１においては、波形発生部５２からの目標値信号（荷重波形信号）に対して、制御量として選択された負荷もしくはストローク量の検出信号がフィードバックされる。

すなわち、制御量として負荷が選択されている場合には、ロードセル１２の検出信号がアンプ６５を介してフィードバックされ、波形発生部５２からの目標値信号と検出信号との偏差に応じた制御弁３３の駆動信号が、アンプ６４を介して油圧シリンダ３１に供給される。また、制御量としてストローク量が選択されている場合には、ストローク検出器３５の検出信号がアンプ６６を介してフィードバックされ、波形発生部５２からの目標値信号と検出信号との偏差に応じた制御弁３３の駆動信号が、アンプ６４を介して油圧シリンダ３１に供給される。

以上のような構成を有する耐久試験装置１０において供試体２０の耐久試験を実行するときには、供試体２０のモータ２１を位置保持制御してロッド２２を固定した状態で、油圧シリンダ３１のシリンダロッド３２を往復移動させることにより、ロッド２２を連続して押圧および牽引して供試体２０に振動を付与することも可能である。この場合には、供試体２０は油圧シリンダ３１による負荷力により変形する。

一方、供試体２０のロッド２２を往復移動させながら耐久試験を実行するときには、供試体２０のロッド２２の往復運動に対応させて、油圧シリンダ３１を移動させつつ、油圧シリンダ３１のシリンダロッド３２を往復移動させた状態で耐久試験を行う。

従来、このような耐久試験では、供試体２０に対して目標とする負荷を与えるために、ロッド２２のストローク量を考慮して油圧シリンダ３１のシリンダロッド３２を移動させる制御が行われていた。しかしながら、供試体２０の剛性が高い場合等においては、上述したように、油圧シリンダ３１のシリンダロッド３２の移動が供試体２０のロッド２２の往復移動速度に追従することができず、供試体２０におけるモータ２１が過負荷となってしまう場合があった。また、これに対応するために、油圧シリンダ３１を制御するための制御ゲインを大きくすると、ハンチング現象が発生して制御が不安定となる。なお、供試体２０の剛性とは、供試体２０全体の機械的な剛性であり、アクチュエータとしてのモータ２１と、このモータ２１により往復移動するロッド２２とを含む供試体２０の見かけ上の剛性を意味する。

この発明に係る耐久試験装置１０においては、油圧シリンダ３１は、スライド機構３９により移動可能である。そして、油圧シリンダ３１は、供試体２０のロッド２２のストローク量に応じて動作する油圧シリンダ４１により、シリンダロッド４２の移動にあわせてそれ自体がベース１１上を負荷軸方向に水平移動する。こうして、供試体２０のロッド２２の往復運動は、スライド機構３９による油圧シリンダ３１の水平移動により吸収されることになる。したがって、油圧シリンダ３１側から見ると、供試体２０は、モータ２１が停止しロッド２２が移動していない状態とほぼ同じ状態となる。すなわち、供試体２０のロッド２２を往復運動させている場合でも、供試体２０のモータ２１を位置保持制御してロッド２２を固定した状態で行う耐久試験の場合と同様に、油圧シリンダ３１は供試体２０に負荷力を与えることができる。

上述した耐久試験装置１０において、荷重Ｐに対する供試体２０の変形量をＸｐ、供試体２０におけるロッド２２のストローク量をＸｔ、油圧シリンダ４１のストローク量をＸｍとすると、供試体２０に荷重Ｐを与えるときの油圧シリンダ３１のシリンダロッド３２のストローク量Ｘｆは、下記の式（１）で表される。

Ｘｆ＝Ｘｐ＋Ｘｔ−Ｘｍ ・・・ （１）
ここで、例えば、供試体２０の移動部材がばね系の部材である場合には、ばね定数をＫとすると、供試体２０の変形量Ｘｐは、Ｘｐ＝Ｐ／Ｋとなる。

この耐久試験装置１０においては、移動用アクチュエータ制御機構５２により、油圧シリンダ４２の動作を、Ｘｔ−Ｘｍがほぼゼロとなるように制御することにより、式（１）に示す油圧シリンダ３１のシリンダロッド３２のストローク量Ｘｆを、供試体２０の変形量Ｘｐとほぼ同じ値とすることができる。すなわち、供試体２０のロッド２２が往復移動している場合でも、見かけ上、供試体２０のモータ２１を位置保持制御してロッド２２を固定して、材料片や受動部品（力を受けて変形するような部品）に負荷を与える場合と同様の負荷制御を行うことができる。

以上のように、この発明に係る耐久試験装置１０は、移動用アクチュエータ制御機構５２により、油圧シリンダ３１のベース１１上での位置を、供試体２０のロッド２０の移動量に応じて変化させることにより、供試体２０のロッド２２の移動が負荷制御に及ぼす影響を軽減し、供試体２０のロッド２２の往復移動速度に対する油圧シリンダ３１の追従性を向上させている。このため、油圧シリンダ３１のシリンダロッド３２の移動だけを制御して、供試体２０のロッド２２の往復移動速度に追従させていた従来の耐久試験装置より、油圧シリンダ３１の制御ゲインを大きく設定する必要がなく、ハンチング現象の発生を防止する効果を高めることができる。したがって、供試体２０におけるモータ２１によるロッド２２の往復移動に対する負荷系の追従性を向上させながら、負荷制御をより安定なものとすることが可能となる。

なお、上述した実施形態においては、供試体２０におけるアクチュエータとしてのモータ２１の駆動により、移動部材としてのロッド２２を所定ストロークで往復移動させながら耐久試験を行っている。しかしながら、アクチュエータの駆動による移動部材の移動は、必ずしも往復運動である必要はない。すなわち、一方向にのみ移動する移動部材を有する供試体に対して振動を付与することにより耐久試験を行う耐久試験装置に、この発明を適用することも可能である。

１０ 耐久試験装置
１１ ベース
１２ ロードセル
２０ 供試体
２１ モータ
２２ ロッド
３１ 油圧シリンダ
３２ シリンダロッド
３３ 制御弁
３５ ストローク検出器
３９ スライド機構
４１ 油圧シリンダ
４２ シリンダロッド
４３ 制御弁
４５ ストローク検出器
４９ 固定具
５１ 負荷用アクチュエータ制御機構
５２ 移動用アクチュエータ制御機構
５３ 供試体制御部
５４ 波形発生器
６１ アンプ
６２ アンプ
６３ アンプ
６４ アンプ
６５ アンプ
６６ アンプ

Claims (4)

1. アクチュエータの駆動により移動する移動部材を備えた供試体に対して試験力を付与することにより、耐久試験を行う耐久試験装置であって、
   前記供試体を固定する載置部を有する基台と、
   前記移動部材のストローク量を検出するストローク検出器と、
   前記供試体における前記移動部材に負荷を与える負荷用アクチュエータと、
   前記基台上に配設されるとともに、前記負荷用アクチュエータに接続され、当該負荷用アクチュエータの負荷軸方向への水平移動を許容するスライド機構と、
   前記基台上に固定され、前記負荷用アクチュエータを移動させる移動用アクチュエータと、
   前記ストローク検出器により検出された前記移動部材のストローク量に応じて、前記移動用アクチュエータを動作させる移動用アクチュエータ制御機構と、
   を備えたことを特徴とする耐久試験装置。
2. 請求項１に記載の耐久試験装置において、
   前記供試体が受ける荷重を検出する荷重検出器と、
   前記負荷用アクチュエータのストローク量を検出する第２のストローク検出器と、
   前記移動用アクチュエータのストローク量を検出する第３のストローク検出器と、
   前記荷重検出器、または、前記第２のストローク検出器から受信した検出信号をフィードバック情報として、前記負荷用アクチュエータを動作させる負荷用アクチュエータ制御機構と、
   をさらに備え、
   前記移動用アクチュエータ制御機構は、前記移動部材のストローク量を検出するストローク検出器と、前記第３のストローク検出器とから受信した検出信号を利用して、前記移動用アクチュエータを動作させる耐久試験装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の耐久試験装置において、
   前記負荷用アクチュエータと前記移動用アクチュエータは、油圧シリンダである耐久試験装置。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の耐久試験装置において、
   前記供試体におけるアクチュエータは、モータである耐久試験装置。

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