JP3073433B2

JP3073433B2 - ６軸負荷装置

Info

Publication number: JP3073433B2
Application number: JP07256903A
Authority: JP
Inventors: 直隆小松; 哲郎赤松; 昭夫田中; 士郎本村
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1995-08-07
Filing date: 1995-09-08
Publication date: 2000-08-07
Anticipated expiration: 2015-09-08
Also published as: JPH09105706A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は転がり軸受やすべり
軸受に負荷を与えて実機条件を実現する軸受試験に適用
される負荷装置及び供試品の重量重心を求める計測装
置、風洞実験における模型に所定の姿勢を設定するとと
もに作用する荷重を測定する装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の軸受負荷装置の例の平面図と側面
図を図８に示す。同図において油圧シリンダ１ａは、荷
重計１ｃ、シリンダロッド１ｂを介して供試軸受７に結
合されている。供試軸受７に与えられる荷重は荷重計１
ｃによって検出され、サーボアンプ（図示せず）に帰還
信号としてフィードバックされる。サーボアンプでは外
部から与えられる荷重指令値にもとづきサーボ弁１ｅの
スプール位置を操作することで供試軸受７に与える荷重
を上記荷重指令値に一致するよう制御する。図に示す例
では、ｘ軸方向の並進荷重は、ｘ軸に沿って２個並べた
負荷装置を協調して駆動することで与える一方、ｙ軸ま
わりのモーメント荷重については、これらを差動させて
供試軸受に与えるようになっている（図ではｙ軸並進荷
重を与えるためにさらに１値負荷装置が設置されてい
る）。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
軸受負荷装置では、１軸あるいは２軸の荷重しか設定で
きず、実際の軸受が受けると考えられる、複数の方向か
らの並進荷重やモーメント荷重、あるいは、これらの荷
重が同時に作用する場合が模擬できないという問題点が
あった。また、供試体である軸受の組立に際しては、負
荷装置とは別に軸受下半部を上半部に取り付ける際の移
動手段としての組立治具を別途製作する必要があった。

【０００４】本発明の目的は、供試体に６軸負荷が与え
られその組立治具としても使え且供試体の重量重心が簡
便に計測できる６軸負荷装置を提供するにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
複数のアクチュエータユニットの協調動作によって可動
板を運動させることにより前記可動板上に設置された供
試体に与える負荷を設定或は計測し或はその位置姿勢を
制御するパラレルメカニズムを応用した負荷装置におい
て、固定板３と、前記固定板に取付けられた６個の球面
軸受４と、前記球面軸受の各々に取付けられた直動形の
アクチュエータ１ａと前記アクチュエータを制御するサ
ーボ弁１ｅと前記アクチュエータの圧縮引張荷重を検出
する荷重計１ｃと前記アクチュエータのストロークを検
出する変位計１ｄとから成る６個のアクチュエータユニ
ット１と、前記アクチュエータを制御するサーボアンプ
と、前記アクチュエータユニットをもって構成されてい
るリンク５と、前記各アクチュエータの他端に取付けら
れた球面軸受４と、前記球面軸受に前記固定板に対して
６自由度の位置姿勢変化が可能なように取付けられた可
動板２と、前記可動板に設置された供試体に与える所要
負荷にもとづいて前記各アクチュエータユニットの所要
推力を計算しそれらの値を指令値として前記サーボアン
プへ出力することで前記アクチュエータユニットの推力
の制御を可能とするとともに前記荷重計及び前記変位計
からの信号を検出可能としたことを特徴としている。

【０００６】請求項２記載の発明は、請求項１記載の６
軸負荷装置に加えコントローラ１３からの指令にもとづ
きサーボアンプ１２への帰還信号を変位計１ｄと荷重計
１ｃの相互に切換える帰還信号切換え器１４と、供試体
の位置姿勢指令を入力可能としこの指令にもとづいて前
記各アクチュエータの所要ストロークを計算しその値を
指令値として前記サーボアンプへ出力することで前記ア
クチュエータユニットのストロークを制御可能としたコ
ントローラ１３を具えたことを特徴とし請求項１記載の
６軸負荷を与える機能の他に位置決め機能を付加したこ
とを特徴としている。

【０００７】請求項３記載の発明は、請求項１及び請求
項２記載の６軸負荷装置において、特にアクチュエータ
として油圧シリンダを用いた方式において、サーボ弁１
ｅと油圧シリンダ１ａとの間にコントローラ１３からの
指令にもとづき開閉可能な開閉弁１ｆを具備したことを
特徴とし、前記サーボアンプへの帰還信号を前記荷重計
と前記変位計の相互に切換え又前記サーボアンプへの指
令信号切換えの際前記アクチュエータユニットの不安定
動作を防止可能としたことを特徴としている。

【０００８】本発明では、複数のアクチュエータユニッ
トの協調動作により可動板を連動させることで、同可動
板上に設置した供試体に与える負荷を設定あるいは計測
したり、位置・姿勢を制御するパラレルメカニズムを負
荷装置に応用している。請求範囲の（１）において、各
アクチュエータユニットには、直動アクチュエータで発
生する圧縮、引張り荷重を検出する荷重計と直動アクチ
ュエータのストロークを検出する変位計が具備されてお
り、これにより各アクチュエータにおける推力とストロ
ークが検出可能となっている。

【０００９】供試体に作用する荷重（並進荷重およびモ
ーメント荷重）［Ｆout ］を次式で定義する。［Ｆout ］＝（Ｆx ，Ｆy ，Ｆ_z，Ｍx ，Ｍ_y，Ｍ_z）^T （１）ここで、Ｆx ，Ｆy ，Ｆｚは、それぞれｘ軸、ｙ軸、ｚ
軸方向の並進荷重を表し、Ｍx ，Ｍy ，Ｍz は、それぞ
れｘ軸、ｙ軸、ｚ軸まわりのモーメント荷重を表す。ま
た、添字Ｔは転置を表す。他方、各直動アクチュエータ
で発生する推力ベクトル［Ｆinp ］を次式で定義する。［Ｆinp ］＝（Ｆ1 ，Ｆ2 ，Ｆ3 ，Ｆ4 ，Ｆ5 ，Ｆ6 ）^T （２）ここで、Ｆi はアクチュエータ番号ｉが発生する推力を
表す。

【００１０】例えば、Ｆi のｘ，ｙ，ｚ各座標軸成分を
それぞれ、Ｆxi，Ｆyi，Ｆziとすれば、以下の関係を得
る。

【００１１】

【数１】

【００１２】ここで、Ｆxi，Ｆyi，Ｆziは、可動板側の
アクチュエータユニットの取付けピッチ円、アクチュエ
ータユニットの固定板側の取付けピッチ円、可動板と固
定板の間等から求まるパラレルメカニズムの幾何学形状
によって決まる。

【００１３】この点を考慮して、式（３）〜（８）を書
き換えて、［Ｆout ］と［Ｆinp ］の関係を表すと次式
のようになる。［Ｆout ］＝ＪＦ×［Ｆinp ］（９）ここで、ＪＦは［Ｆout ］と［Ｆinp ］の関係を記述し
た６×６の行列であり、直動アクチュエータのストロー
クによって変化する。式（９）から、ＪＦの逆行列ＪＦ
^-1を用いて、次式を得る。［Ｆinp ］＝ＪＦ^-1×［Ｆout ］（10）すなわち、供試体に与えようとする荷重［Ｆout ］に対
する各アクチュエータユニットの所要推力［Ｆinp ］は
式（10）により求めることができる。このとき、本発明
では、アクチュエータユニットのストロークは変位計で
検出可能であり、予めパラレルメカニズムの形状データ
を与えておけば、ＪＦ^-1は既知の値となる。

【００１４】また、本発明では、［Ｆout ］に対する各
アクチュエータユニットの所要推力［Ｆinp ］をコント
ローラで計算し、これを指令値としてサーボアンプに出
力する。各サーボアンプでは、荷重計の出力信号を帰還
信号とするフィードバック回路を形成し、アクチュエー
タユニットを操作して各シリンダにおける推力が所定の
値になるように制御する。

【００１５】前記した機能に加え、サーボアンプへの帰
還信号をコントローラからの指令にもとづき変位計出力
あるいは荷重計出力に切り換え可能とした帰還信号切り
換え器を備えたことで、各サーボアンプでは、荷重計の
出力信号の他に変位計１ｄ出力を帰還信号とするフィー
ドバック回路も形成可能となり、アクチュエータユニッ
ト、を操作して各シリンダにおける変位が所定の値にな
るように制御できる。式（１０）と同様に、可動板上の
代表点の所要の位置・姿勢［Ｐout ］＝（ｘ，ｙ，ｚ，
θx ，θy ，θz ）^Tに対する各アクチュエータユニッ
トの所要ストローク［Ｐinp ］は次式で表される。

【００１６】［Ｐinp ］＝ＪＰ^-1［Ｐout ］（11）ここで、［Ｐinp ］＝（Ｌ1 ，Ｌ2 ，Ｌ3 ，Ｌ4 ，Ｌ5 ，Ｌ6 ）^T ただし、Ｌi はリンクｉのストローク変位ＪＰは［Ｐout ］と［Ｐinp ］の関係を記述した６×６
の行列であり、直動アクチュエータのストロークによっ
て変化する。このとき、本発明では、アクチュエータユ
ニットのストロークは変位計で検出可能であり、予めパ
ラレルメカニズムの形状データを与えておけば、ＪＰ^-1
は既知の値となる。また、本発明では、［Ｐout ］に対
する各アクチュエータユニットの所要ストローク［Ｐin
p ］をコントローラで計算し、これを指令値としてサー
ボアンプに出力する。

【００１７】各サーボアンプでは、変位計の出力信号を
帰還信号とするフィードバック回路を形成し、アクチュ
エータユニットを操作して各シリンダにおけるストロー
クが所定の値になるように制御する。特にアクチュエー
タとして油圧シリンダを用いた方式において、サーボア
ンプへの帰還信号を荷重計出力から変位計出力に切り換
える（あるいはその逆の）際は、サーボアンプへの指令
信号や帰還信号が急変するため、油圧シリンダが暴走す
る恐れがある。このため、サーボ弁と油圧シリンダの間
にコントローラからの指令にもとづき開閉可能な開閉弁
を具備している。この弁は、通常時は開となっており、
サーボ弁のスプール位置に応じて作動油がシリンダに供
給されて作動する。

【００１８】しかし、サーボアンプへの帰還信号を荷重
計出力から変位計出力に切り換えたり（あるいはその
逆）、サーボアンプへの指令圧を切り換える際は、その
前にコントローラから開閉弁に対し同弁を閉鎖するよう
指示を出す。これによりサーボ弁と油圧シリンダとの接
続が断たれ、油圧シリンダ内の作動油はシリンダ内に封
じ込められた状態となるとともに、サーボ弁のスプール
弁位置が変化してもその影響を受けない状態となる。こ
の状態のまま、サーボアンプへの帰還信号を荷重計出力
から変位計出力に切り換え（あるいはその逆）や、サー
ボアンプへの指令電圧を切り換えを行っても油圧シリン
ダは暴走せず、帰還信号、指令信号ともに切り換えが終
了した時点で弁を開に戻せば油圧シリンダは正常に動作
を再開する。

【００１９】

【発明の実施の形態】直動アクチュエータとして油圧シ
リンダを使用した本発明の実施の形態を説明する。［第１実施形態］図１に負荷装置の構成を、図２にアク
チュエータユニット１の詳細を示す。図１において、負
荷装置は、可動板２は固定板３に対して、各々がアクチ
ュエータユニット１で構成される６本のリンク５により
球面軸受４を介して拘束されており、アクチュエータユ
ニット１の伸縮により可動板２が固定板３に対し６自由
度の位置・姿勢変化を行う。アクチュエータユニット１
は、図２に示すようにシリンダ１ａ、同シリンダ１ａの
シリンダロッド１ｂにシリンダ推力の測定を目的とした
荷重計１ｃ、シリンダ１ａのストロークを検出する変位
計１ｄ、シリンダ１ａへ供給する作動液の流量を制御す
るサーボ弁１ｅが開閉弁１ｆを介して装着されている。

【００２０】図３に本発明の第１実施形態の平面図を示
す。また、図４に本発明の第１実施形態の側面図を示
す。これらの図において、回転軸６は供試軸受７を貫通
し両端の支持軸受８により支持されており、モータ（図
示せず）により回転するようになっている。供試軸受７
は負荷装置の可動板２上に固定されており、アクチュエ
ータユニット１を内蔵した５本のリンク５を協調して伸
縮することで、供試軸受７を回転軸６に対して並進３自
由度、回転３自由度の相対位置・姿勢変化ができるよう
になっている。なお、図３に示す９は、負荷装置のｙ軸
方向の荷重発生を補助する目的で設置された横荷重発生
装置である。

【００２１】図５に本発明の制御系を示す。同図におい
て一点鎖線の枠で囲まれている領域は負荷装置のリンク
５の１本分の機器構成を示している。シリンダ１ａの発
生推力およびストロークは、それぞれ荷重計１ｃおよび
変位計１ｄにより検出され、それぞれ荷重計アンプ１０
あるいは変位計アンプ１１を介してコントローラ１３に
帰還信号としてフィードバックされる。これらのフィー
ドバック信号は帰還信号切り換え器１４にも帰還されて
おり、コントローラ１３の指令にもとづき、いずれか一
方の信号をサーボアンプ１２に帰還する。

【００２２】すなわち、荷重フィードバックを行う場合
は荷重計アンプ１０から出力される荷重計出力信号をサ
ーボアンプ１２に帰還して荷重フィードバックループを
構成し、変位フィードバックを行う場合は変位計アンプ
１１から出力される変位計出力信号をサーボアンプ１２
に帰還して、位置フィードバックループを構成する。コ
ントローラ１３では、位置・姿勢指令あるいは荷重指令
にもとづき各シリンダの所要推力あるいは所要ストロー
クを算出し、指令値としてサーボアンプ１２に出力す
る。サーボアンプ１２では、コントローラ１３からの指
令にもとづきサーボ弁１ｅのスプール位置を制御してシ
リンダ１ａへの作動油の供給を制御する。

【００２３】制御モードを切り換える場合（例として、
荷重制御から位置・姿勢制御に切り換える場合で説明す
る）には、まずコントローラ１３からの指令により開閉
弁１ｆが閉じてサーボ弁１ｅとシリンダ１ａとの接続が
断たれ、その結果サーボ弁１ｅのスプール位置にかかわ
らずシリンダ１ａは開閉弁１ｆが閉じる前の状態を保持
する。しかるのち、帰還信号切り換え器１４によりサー
ボアンプ１２へ帰還信号を荷重計アンプ１０の出力信号
から変位計アンプ１１の出力信号に切り換える。さらに
コントローラ１３に対する指令を荷重指令から位置・姿
勢指令に変更する。これによりサーボアンプ１２に対す
る指令信号、帰還信号とも位置制御となるため、サーボ
弁１ｅは位置制御モードとなる。

【００２４】この一連の切り換え作業終了後、開閉弁１
ｆを開とすることで、シリンダ１ａはサーボ弁１ｅのス
プール位置に応じた動作を開始する。なお、図中に示し
た開閉弁１ｇは、緊急時に油圧シリンダ内の作動油をド
レンに排出するための弁である。

【００２５】［第２実施形態］図６は重量物の重量計測
ならびに重心位置の割り出しに本発明を適用した本発明
の第２実施形態を示したものである。同図において、パ
レット２１が測定対象２２を載せた状態で可動板２の上
に搭載されている。このとき可動板２には、可動板２上
の基準点が固定板３に対して所定の位置・姿勢になるよ
う位置制御が掛かっており、アクチュエータユニット１
では所定の位置・姿勢を保持するために軸力を発生す
る。しかるに、アクチュエータユニット１には請求項の
第１項に示したように荷重計１ｃが内蔵されており、こ
れにより各アクチュエータユニットに作用する軸力がわ
かる。

【００２６】一方、位置制御により固定板３に対する可
動板２の位置・姿勢がわかっているため、幾何学的な関
係から各軸力を各座標軸に沿った分力に分解して座標軸
等に軸力の分力の和を求めることができる。これら各座
標軸毎の分力の和の反力が測定対象から可動板に作用す
る力に等しくなる。特に図のｘ軸方向の分力の和は測定
対象に作用する重力に等しくなるため、測定対象の自重
が分かる（厳密にはパレット自重と可動板に作用する初
期軸力を予め引いておく必要がある）。さらに、各リン
クと可動板２との接点１〜６（接点２，３は図示せず）
（すなわち、各軸力の作用点）のｙｚ平面上の座標がわ
かっていれば、軸力のｘ軸方向の分力とその点の座標か
ら測定対象２２のｙｚ平面上の重心位置を求めることが
できる。

【００２７】すなわち、接点ｉ（ｉ＝１〜６）の固定板
３に設けた座標系に対する座標を（ｘi ，ｙi ，ｚi ）
と表し、この点における軸力の反力のｘ軸成分をｆｘi
と表せば、ｙｚ平面上での測定対象２２の重心のｙ座標
Ｇy 、およびｚ座標Ｇz は次式で表される。

【００２８】

【数２】

【００２９】ここで、ｆｘi は接点ｉにおける軸力と幾
何学的な関係から求めることができ、ｙi ，ｚi も図面
上から予めわかっている値であるから上式から重心位置
ＧyおよびＧz を求めることができる。これは、例え
ば、複雑な形状をした物体をクレーン等でつり上げる際
の重心位置の割り出しに有効である。

【００３０】［第３実施形態］図７は、本発明を風洞実
験の荷重測定に適用した本発明の第３実施形態を示した
ものである。同図において可動板２から下の部分は計測
の際、支障にならないよう風洞の床面２３より下に設置
されている。可動板２上には矢印Ａの向きから空気流を
受けながら風洞模型２４が固定されている。このとき可
動板２には、可動板２上の基準点が固定板３に対して所
定の位置・姿勢になるように位置制御が掛かっており、
アクチュエータユニット１では所定の位置・姿勢を保持
するために軸力を発生する。

【００３１】この軸力は風洞模型２４に作用する力に抗
して可動板２の位置・姿勢を保持するために発生する力
に他ならない。すなわち、本発明の第２実施形態と同様
にして、これらの軸力にもとづいた力の釣合いから風洞
模型２４に作用する力とモーメントが検出できる。ま
た、可動板２を固定板３に対して傾けることで、風洞模
型２４を空気流の向きに対して所要の迎え角を与えるこ
とができる。

【００３２】なお以上の発明において、直動アクチュエ
ータとしては油圧シリンダ付のものについてのみ記載し
たが、この他に空気圧シリンダ、水圧シリンダの流体圧
力により動作する直動アクチュエータや、電動機とボー
ルねじ、あるいは電動機と減速機とボールねじの組み合
わせによるものも実現可能である。

【００３３】

【発明の効果】本発明により、従来の軸受試験機では出
来なかった複数の並進荷重やモーメント荷重を供試軸受
に与えることが可能となり、実機の荷重条件がより正確
に再現できる。また、位置制御を可能としたことにより
負荷発生機としてだけでなく、供試体である軸受の組立
て装置としても利用でき、試験時の作業性が向上する。
又、本装置上に測定対象を載せるだけで重量や重心位置
が簡便に計測できる。

【００３４】さらに風洞模型の姿勢設定とこの模型に作
用する荷重計測を本装置１台で実現でき、設備構成が単
純化される一方、試験時の作業性が向上する。また、油
圧シリンダをアクチュエータとする方式では、サーボ弁
とシリンダの間に開閉弁を設けたことにより、荷重制御
から位置制御（あるいはその逆）へ制御モードを切り換
える際のシリンダの暴走を予防でき、より安全に作業が
できるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施の形態の６軸負荷装置の主要
部の構成図。

【図２】本発明に係るアクチュエータユニットの構成
図。

【図３】本発明の第１実施の形態の平面図。

【図４】図３に対応する側面図。

【図５】本発明に係る制御系の図。

【図６】本発明の第２実施の形態の図。

【図７】本発明の第３実施の形態の図。

【図８】従来例の構成図。

【符号の説明】

１…アクチュエータユニット、２…可動板、３…固定
板、４…球面軸受、５…リンク、６…回転軸、７…供試
軸受、８…支持軸受、９…横荷重発生装置、１０…荷重
計アンプ、１１…変位計アンプ、１２…サーボアンプ、
１３…コントローラ、１４…帰還信号切り換え器、１ａ
…シリンダ、１ｂ…シリンダロッド、１ｃ…荷重計、１
ｄ…変位計、１ｅ…サーボ弁、１ｆ…開閉弁。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者本村士郎兵庫県高砂市荒井町新浜二丁目１番１号三菱重工業株式会社高砂研究所内 (56)参考文献特開昭63−29224（ＪＰ，Ａ) 特開平６−58830（ＪＰ，Ａ) 実開平４−92297（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01M 13/04 G01M 1/12 G01M 9/06 G01L 5/16

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】複数のアクチュエータユニットの協調動
作によって可動板を運動させることにより前記可動板上
に設置された供試体に与える負荷を設定或は計測し或は
その位置姿勢を制御するパラレルメカニズムを応用した
負荷装置において、固定板（３）と、前記固定板に取付
けられた６個の球面軸受（４）と、前記球面軸受の各々
に取付けられた直動形のアクチュエータ（１ａ）と前記
アクチュエータを制御するサーボ弁（１ｅ）と前記アク
チュエータの圧縮引張荷重を検出する荷重計（１ｃ）と
前記アクチュエータのストロークを検出する変位計（１
ｄ）とから成る６個のアクチュエータユニット（１）
と、前記アクチュエータを制御するサーボアンプ（１
２）と、前記アクチュエータユニットをもって構成され
ているリンク（５）と、前記各アクチュエータの他端に
取付けられた球面軸受（４）と、前記球面軸受に前記固
定板に対して６自由度の位置姿勢変化が可能なように取
付けられた可動板（２）と、前記可動板に設置された供
試体に与える所要負荷にもとづいて前記各アクチュエー
タユニットの所要推力を計算しそれらの値を指令値とし
て前記サーボアンプへ出力することで前記アクチュエー
タユニットの推力の制御を可能とするとともに前記荷重
計及び前記変位計からの信号を検出可能としたコントロ
ーラ（１３）とを有して成ることを特徴とし供試体に６
軸負荷を与えることを可能とした６軸負荷装置。
【請求項２】請求項１記載の６軸負荷装置に加え、コ
ントローラ（１３）からの指令にもとづきサーボアンプ
（１２）への帰還信号を変位計（１ｄ）と荷重計（１
ｃ）の相互に切換える帰還信号切換え器（１４）と、供
試体の位置姿勢指令を入力可能としこの指令にもとづい
て前記各アクチュエータの所要ストロークを計算しその
値を指令値として前記サーボアンプへ出力することで前
記アクチュエータユニットのストロークを制御可能とし
たコントローラ（１３）とを具えたことを特徴とし請求
項１記載の６軸負荷を与える機能の他に位置決め機能を
付加した６軸負荷装置。
【請求項３】請求項１及び請求項２記載の６軸負荷装
置において、特にアクチュエータとして油圧シリンダを
用いた方式において、サーボ弁（１ｅ）と油圧シリンダ
（１ａ）との間にコントローラ（１３）からの指令にも
とづき開閉可能な開閉弁（１ｆ）を具備したことを特徴
とし、前記サーボアンプへの帰還信号を前記荷重計と前
記変位計の相互に切換え又前記サーボアンプへの指令信
号切換えの際前記アクチュエータユニットの不安定動作
を防止可能とした６軸負荷装置。