JP2022143655A - 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 - Google Patents

Abstract

【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

Description

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。

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。

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。

特開２０２０－２０４６０５号公報

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。

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。

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。

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。

全組による加振機評価の全体構成を示す説明図である。 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。 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。 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。 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。 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。

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。

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。

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。

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。

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Ｘ_１、力Ｆ_１などが出力される。ロードセル２４により、変位Ｘ_２、力Ｆ_２などが出力される。

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Ｘ_ｒｅｆと変位制御側の評価用加振機１０のピストン１１の変位Ｘ_１と比較されたのち、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。

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Ｆ_ｒｅｆ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。

反力制御用演算器３３は、比較部３３１にて、反力Ｆ_ｒｅｆと反力模擬用加振機２０の加振力Ｆ_２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。

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。

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。

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。

<<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。

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。

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。

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。

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。

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。

評価用加振機１０ＸＡ側のロードセル１４Ａにより、変位Ｘ_１、力Ｆ_１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Ｘ_３、力Ｆ_３などが出力される。

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Ｘ_ｒｅｆ１と変位制御側の評価用加振機１０ＸＡのピストン１１Ａの変位Ｘ_１と比較されたのち、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。

同様に、変位制御用演算器３１Ｂは、比較部３１１Ｂにて、目標変位Ｘ_ｒｅｆ３と変位制御側の評価用加振機１０ＸＢのピストン１１Ｂの変位Ｘ_３と比較されたのち、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。

反力演算器３２は、変位Ｘ_２，Ｘ_４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Ｆ_ｒｅｆ２，Ｆ_ｒｅｆ４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。

反力制御用演算器３３Ａは、比較部３３１Ａにて、反力Ｆ_ｒｅｆ２と反力模擬用加振機２０ＸＢの反力Ｆ_２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Ｆ_ｒｅｆ４と反力模擬用加振機２０ＸＢの反力Ｆ_４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。

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。

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。

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Ｆ_ｒｅｆ２，Ｆ_ｒｅｆ４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Ｆ_ｒｅｆ２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Ｆ_２が発生する。同様に、反力Ｆ_ｒｅｆ４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Ｆ_２が発生する。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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）

Claims (12)

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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。

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