JP3119611U

JP3119611U - 疲労試験機および駆動信号生成装置

Info

Publication number: JP3119611U
Application number: JP2005010696U
Authority: JP
Inventors: 安田　善一; 融松浦
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2005-12-16
Filing date: 2005-12-16
Publication date: 2006-03-02
Anticipated expiration: 2015-12-16

Abstract

【課題】実振動波形から精度よく、かつ、衝撃を与えることなく駆動信号を生成する。
【解決手段】制御装置２０において、重複時間を設けて実振動波形を所定時間ごとに分割し、それぞれ分割した実振動波形と供試体ＳＰに与える振動とが一致するように分割駆動信号を算出する。そして、これらの分割駆動信号を継ぎ合わせて駆動信号を生成する。ここで、実振動波形の重複時間において駆動信号同士が一致する時刻または最も近接する時刻を検出し、その時刻において駆動信号が切り替わるように駆動信号を継ぎ合わせる。
【選択図】図１

Description

本考案は、目標波形を実振動波形とした振動を供試体に与えるため、アクチュエータなどに出力する駆動信号を生成する駆動信号生成装置と、その駆動信号生成装置を用いた疲労試験機に関する。

たとえば、特開２００４−５３４５２号公報には、実振動波形と等価な目標波形に逆伝達関数を乗じて生成した駆動信号で負荷アクチュエータを駆動し、供試体に負荷を与えるようにした疲労試験機が開示されている。この種の疲労試験機では、供試体にランダム波形を入力し、ランダム波形による供試体の変形量などを検出し、ランダム波形と検出波形との比から伝達関数を算出する。そして、算出された伝達関数の逆数を逆伝達関数とし、目標波形に逆伝達関数を乗じて駆動信号波形が生成される。

逆伝達関数を使用して負荷アクチュエータに入力する振動波形を補正する場合、フーリエ変換などによって目標波形を時間領域から周波数領域に変換してから駆動信号を算出する。この変換処理を一括に行うとノイズが多くなり、供試体に与える振動波形を目標波形に近づけることが困難になる。そこで、目標波形を所定時間ごとに分割して、それぞれ分割した目標波形においてフーリエ変換し、分割された駆動信号を算出する。そして、分割された駆動信号を継ぎ合わせて負荷アクチュエータに出力する。ところで、このように継ぎ合わせた駆動信号を負荷アクチュエータに出力すると、駆動信号の継ぎ目、つまり分割された駆動信号から他の分割された駆動信号に切り替える時刻では駆動信号の波形は不連続に変化するため供試体に大きな衝撃が加わる。このため、精度よく供試体の振動試験を行えないという問題点がある。

（１）請求項１の考案は、実振動波形に逆伝達関数を乗じて生成された駆動信号により負荷アクチュエータを駆動して供試体に負荷を与えるようにした疲労試験機であって、実振動波形を分割する波形分割手段と、分割された実振動波形と逆伝達関数とにより分割駆動信号を生成する分割駆動信号生成手段と、分割駆動信号を継ぎ合わせて駆動信号を生成する駆動信号生成手段とを備え、波形分割手段は、重複時間を設けて実振動波形を分割し、駆動信号生成手段は、重複時間において、２つの分割駆動信号が一致する時刻、または最も近接する時刻で分割駆動信号を継ぎ合わせて駆動信号を生成することを特徴とする。
（２）請求項２の考案は、実振動波形に逆伝達関数を乗じて駆動信号を生成する駆動信号生成装置であって、実振動波形を分割する波形分割手段と、分割された実振動波形と逆伝達関数とにより分割駆動信号を生成する分割駆動信号生成手段と、分割駆動信号を継ぎ合わせて駆動信号を生成する駆動信号生成手段とを備え、実振動波形分割手段は、重複時間を設けて実振動波形を分割し、駆動信号生成手段は、重複時間において、２つの分割駆動信号が一致する時刻、または最も近接する時刻で分割駆動信号を継ぎ合わせて駆動信号を生成することを特徴とする。

本考案によれば、分割駆動信号を継ぎ合わせて生成した駆動信号において、分割信号の継ぎ目で駆動信号が不連続にならないようにし、または、不連続になっても変化が小さくなるようにしたため、継ぎ合わせた駆動信号で負荷アクチュエータを駆動しても供試体に衝撃が加わることがない。したがって、不必要な衝撃を与えることなく実振動波形の振動を供試体に与えることができる。

この種の疲労試験機は、たとえば、車両用疲労試験機などであり、次の手順で測定が行われる。実車走行により収集した振動波形を実振動波形とし、この実振動波形を供試体に与える振動波形の目標波形として供試体を負荷し、データを採取する。車両用疲労試験機のように測定対象の供試体に実測した波形を与えるような場合、負荷対象となるシステム、すなわち供試体および負荷アクチュエータの伝達関数を算出し、その逆数である逆伝達関数を実振動波形に乗じて駆動信号を生成する。これより、供試体は実振動波形で負荷されることになる。

そのため、この種の疲労試験機では、試験に先立って、システムの伝達関数を次のように算出する。供試体を負荷する油圧アクチュエータにランダム波形を入力し、ランダム波形による供試体の変形量などの検出波形を検出する。ランダム波形と検出波形との比から伝達関数を算出する。そして、算出された伝達関数の逆数を逆伝達関数とし、実測波形と等価である実振動波形に逆伝達関数を乗じて駆動信号を生成する。

図１は、本考案の一実施の形態による疲労試験機の構成図である。油圧アクチュエータ１はサーボ弁２で開閉動作が制御される。制御装置２０から出力されるデジタル駆動信号はＤ／Ａ変換器３でアナログ信号に変換された後に増幅器４で増幅されてサーボ弁２に入力される。供試体ＳＰの変位量は変位計５で検出される。変位検出信号は、増幅器６で増幅され、Ａ／Ｄ変換器７でデジタル検出信号に変換されて制御回路２０に入力される。制御装置２０は、変位検出信号と駆動信号との差分を算出し、その差分をサーボ弁２にフィードバックして油圧アクチュエータ１を駆動する。

荷重フィードバック制御してもよく、この場合の動作は次の通りである。供試体ＳＰに負荷される荷重は荷重計８で検出される。荷重検出信号は、増幅器９で増幅され、Ａ／Ｄ変換器１０でデジタル検出信号に変換されて制御回路２０に入力される。制御装置２０は、荷重検出信号と駆動信号との差分を算出し、その差分をサーボ弁２にフィードバックして油圧アクチュエータ１を駆動する。

図２は、制御装置２０内部のフィードバック駆動系機能ブロック図である。制御装置２０は、実車走行により採取した実振動波形の測定信号を入力する実振動波形入力回路２１と、重複時間を設けて実振動波形を所定の時間ごとに分割する実振動波形分割部２２と、詳細は後述する逆伝達関数演算部２８と、その演算結果が記憶される逆伝達関数記憶部２３と、分割された実振動波形に逆伝達関数を乗じて分割された駆動信号（以下、分割駆動信号と呼ぶ）を演算する乗算器２４と、分割駆動信号を継ぎ合わせて駆動信号を生成する駆動信号生成部２５と、所定時間ごとにフィードバックする変位信号もしくは荷重信号を選択するスイッチ２６と、駆動信号と変位もしくは荷重のフィードバック信号の偏差を演算する偏差器２７とを備えている。

図３は、制御装置２０内部の逆伝達関数演算部２８の詳細を説明する機能ブロック図である。伝達関数は、油圧アクチュエータ１と供試体ＳＰを含む制御系に入力するランダム入力波形と、そのランダム入力波形により得られる制御系の出力波形（変位検出波形や荷重検出波形）との比に基づいて算出される。すなわち、図３に示すように、逆伝達関数演算部２８は、ランダム入力波形信号の生成回路２８１と、ランダム入力波形をフーリエ変換する入力波形信号用フーリエ変換回路２８２と、出力波形信号（検出波形）の生成回路２８３と、出力波形をフーリエ変換する出力波形信号用フーリエ変換回路２８４と、入力波形信号用フーリエ変換回路２８２からの出力信号を、出力波形信号用フーリエ変換回路２８４からの出力信号で除して伝達関数を算出する除算器２８５と、除算器２８５から出力される伝達関数の逆数を演算する逆数演算回路２８６とを備える。

このように構成された疲労試験機では、疲労試験に先立って作成された駆動信号により、次のようにして疲労試験が行われる。

実振動波形生成回路２１から出力される実振動波形信号は実振動波形分割部２２で重複時間を設けて分割される。分割された実振動波形信号と逆伝達関数記憶部２３から出力される逆伝達関数とを乗算器２４で乗じて分割駆動信号を生成する。分割駆動信号は駆動信号生成部２５で継ぎ合わされ、駆動信号が生成される。この継ぎ合わせ処理の詳細については後述する。上述のように生成された駆動信号とフィードバック信号との偏差を偏差器２７で演算し、この差分駆動信号でサーボ弁２を駆動する。すなわち、差分駆動信号は、Ｄ／Ａ変換器３でアナログ信号に変換され、増幅器４で増幅されてサーボ弁２に印加される。このような差分駆動信号でサーボ弁２が駆動されることにより油圧アクチュエータ１が駆動されて供試体ＳＰが負荷される。

供試体ＳＰの変位は変位計５で検出され、増幅器６で増幅される。この変位検出信号はＡ／Ｄ変換器７でデジタル信号に変換されて制御装置２０にフィードバックされ、変位検出信号と駆動信号と偏差が上述したように演算される。

駆動信号生成部２５における分割駆動信号の継ぎ合わせ処理について図４および図５を参照して説明する。図４（ａ）は、重複時間を設けた実振動波形の分割を説明するための図であり、図４（ｂ）は、分割した実振動波形より算出した分割駆動信号を説明するための図である。図４（ｃ）は、分割駆動信号を継ぎ合わせた駆動信号を説明するための図であり、図４（ｄ）は重複時間を設けずに分割された実振動波形から算出された分割駆動信号を説明するための図である。

実振動波形Ｍと精度よく一致した振動を供試体ＳＰに与えるために、実振動波形Ｍは、時刻ｔ１から時刻ｔ３、時刻ｔ２から時刻ｔ５および時刻ｔ４から時刻ｔ６に分割される。このような振動波形の分割処理により、各区間を精度よく近似式で表すことが可能となる。時刻ｔ１から時刻ｔ３の時間における実振動波形を実振動波形Ｍ１とし、時刻ｔ２から時刻ｔ５の時間における実振動波形を実振動波形Ｍ２とし、時刻ｔ４から時刻ｔ６の時間における実振動波形を実振動波形Ｍ３とする。実振動波形Ｍ１と実振動波形Ｍ２とは、時刻ｔ２から時刻ｔ３の時間で重複している。実振動波形Ｍ２と実振動波形Ｍ３とは、時刻ｔ４から時刻ｔ５の時間で重複している。重複時間（たとえば、ｔ２〜ｔ３）は分割されている時間（たとえば、ｔ２〜ｔ５）の約２０％の時間である。

図３（ｂ）に示すように、分割した実振動波形Ｍ１〜Ｍ３のそれぞれに逆伝達関数を乗じて分割駆動信号Ｄ１１，Ｄ２１，Ｄ３１が算出される。分割駆動信号Ｄ１１は実振動波形Ｍ１から算出された駆動信号であり、分割駆動信号Ｄ２１は実振動波形Ｍ２から算出された駆動信号であり、分割駆動信号Ｄ３１は実振動波形Ｍ３から算出された駆動信号である。

次に、実振動波形Ｍ１と実振動波形Ｍ２の重複時間である時刻ｔ２から時刻ｔ３までの間の分割駆動信号Ｄ１１と分割駆動信号Ｄ２１とを比較して、２つの分割駆動信号Ｄ１１，Ｄ２１が最初に一致する時刻、または最も近接する時刻ｔ７を検出する。また、実振動波形Ｍ２と実振動波形Ｍ３の重複時間である時刻ｔ４から時刻ｔ５までの間の分割駆動信号Ｄ２１と分割駆動信号Ｄ３１とを比較して、２つの分割駆動信号Ｄ２１，Ｄ３１が最初に一致する時刻または最も近接する時刻ｔ８を検出する。

図４（ｃ）に示すように、時刻ｔ７になると分割駆動信号Ｄ１１から分割駆動信号Ｄ２１に切り替わるように、時刻ｔ８になると分割駆動信号Ｄ２１から分割駆動信号Ｄ３１に切り替わるように分割駆動信号を継ぎ合わせる。すべての分割駆動信号の継ぎ合わせ処理が完了すると、分割駆動信号を継ぎ合わせた駆動信号を不図示の記憶部に格納しておく。試験開始の指示により、記憶部の駆動信号を油圧アクチュエータ１に出力して、疲労試験を行う。

ここで、分割駆動信号Ｄ１１の出力が終了する終了点Ａと分割駆動信号Ｄ２１の出力が開始する開始点Ｂとは一致または近接しており、分割駆動信号Ｄ２１の出力が終了する終了点Ｃと分割駆動信号Ｄ３１の出力が開始する開始点Ｄとは一致または近接している。したがって、駆動信号を油圧アクチュエータ１に出力しても、分割駆動信号の継ぎ目で供試体ＳＰに対する衝撃は発生しない。

比較のために、重複部分を設けないで実振動波形Ｍを分割し、分割した実振動波形より算出した分割駆動信号を継ぎ合わせて生成した駆動信号について、図４（ｄ）を参照して説明する。ここで、実振動波形Ｍは時刻ｔ１から時刻ｔ２までの時間、時刻ｔ２から時刻ｔ４までの時間および時刻ｔ４から時刻ｔ６までの時間で分割されたものとする。分割された実振動波形より分割駆動信号Ｄ１２，Ｄ２２，Ｄ３２が算出されたものとする。

分割駆動信号Ｄ１２，Ｄ２２，Ｄ３２を継ぎ合わせると、時刻ｔ２になると駆動信号が分割駆動信号Ｄ１２から分割駆動信号Ｄ２２に切り替わる。また、時刻ｔ４になると駆動信号が分割駆動信号Ｄ２２から分割駆動信号Ｄ３２に切り替わる。

ここで、分割駆動信号Ｄ１２の出力が終了する終了点Ｅと分割駆動信号Ｄ２２の出力が開始する開始点Ｆとは不連続であり、分割駆動信号Ｄ２２の出力が終了する終了点Ｇと駆動信号Ｄ３２の出力が開始する開始点Ｈとも不連続である。したがって、駆動信号を油圧アクチュエータ１に出力すると、分割駆動信号の継ぎ目で大きな衝撃が供試体ＳＰに発生する。

図４（ｄ）の分割駆動信号の継ぎ目における衝撃を緩和する方法として、図５に示すように、分割駆動信号の間に補間信号を設けて継ぎ合わせる方法がある。ここで、図５（ａ）は実振動波形Ｍの分割を説明するための図であり、実振動波形Ｍは時刻ｔ２，ｔ４，ｔ６で分割されている。図５（ｂ）は分割駆動信号を説明するための図であり、図４（ｄ）と同じ図である。図５（ｃ）に示すように、分割駆動信号Ｄ１２と分割駆動信号Ｄ２２との間に補間信号ＨＫ１を設け、分割駆動信号Ｄ２２と分割駆動信号Ｄ３２との間に補間信号ＨＫ２を設け、分割駆動信号を継ぎ合わせる。終了点Ｅと開始点Ｆとを補間信号ＨＫ１で継ぎ合わせることによって変動は緩やかになり、終了点Ｇと開始点Ｈとを補間信号ＨＫ２で継ぎ合わせることによって変動は緩やかになる。したがって、駆動信号を油圧アクチュエータ１に出力しても分割駆動信号の継ぎ目で衝撃は発生しない。しかし、図５（ａ）と図５（ｃ）を比較してわかるように、このような補間信号ＨＫ１，ＨＫ２を設けて継ぎ合わせると、補間区間の時間だけ試験時間が長くなる。

以上の実施形態による疲労試験機では次のような手順により駆動信号を生成する。
（１）重複時間を設けて実振動波形Ｍを所定時間ごとに分割する。（２）それぞれ分割した実振動波形Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３から分割駆動信号Ｄ１１，Ｄ２１，Ｄ３１を算出する。（３）重複時間ｔ２〜ｔ３（ｔ４〜ｔ５）において重複する２つの分割駆動信号Ｄ１１，Ｄ２１（Ｄ２１，Ｄ３１）が一致する時刻または最も近接する時刻ｔ７（ｔ８）を検出し、その検出した時刻ｔ７（ｔ８）においてそれぞれ分割駆動信号Ｄ１１（Ｄ２１）から分割駆動信号Ｄ２１（３１）に切り替えるように分割駆動信号Ｄ１１，Ｄ２１，Ｄ３１を継ぎ合わせる。

したがって、各区間の駆動信号は連続して継ぎ合わすことができ、または、不連続になっても変化が小さいため、供試体に強い衝撃が加わらない。

以上の実施の形態の疲労試験機を次のように変形することができる。
（１）以上では、１台の油圧アクチュエータを使用した１軸車両用疲労試験機について説明したが、２軸、３軸の車両用疲労試験機においても、各軸に上述したものと同様に本考案を適用できる。

（２）重複時間において、２つの駆動信号が一致する場合、最初に一致した時間に駆動信号が切り替わるように駆動信号を継ぎ合わせたが、最初に一致した時間に限定されない。たとえば、２つの駆動信号が一致する時間のうち、重複時間の真ん中の時間に最も近い時間に切り替わるように駆動信号を継ぎ合わせてもよい。

（３）車両用疲労試験機に限定されず、各種の形式の疲労試験機にも本考案を適用できる。

図１は、疲労試験機の一実施の形態を説明するブロック図。図２は、図１の疲労試験機における制御装置の詳細を示すブロック図。図３は、図２の逆伝達関数演算部の詳細を示すブロック図。図４（ａ）は重複時間を設けて分割した実振動波形を示す図であり、図４（ｂ）は分割された実振動波形より算出された分割駆動信号を示す図であり、図４（ｃ）は分割駆動信号を継ぎ合わせた駆動信号を示す図であり、図４（ｄ）は重複時間を設けずに分割された実振動波形から算出された駆動信号を示す図である。図５（ａ）は重複時間を設けずに分割した実振動波形を示す図であり、図５（ｂ）は重複時間を設けずに分割された実振動波形から算出された分割駆動信号を示す図であり、図５（ｃ）は補間信号を設けて分割駆動信号を継ぎ合わせた駆動信号を示す図である。

符号の説明

１油圧アクチュエータ２０制御装置
２１実振動波形生成回路２２実振動波形分割部
２３逆伝達関数記憶部２４乗算器
２５駆動信号生成部２６スイッチ
２７偏差器２８逆伝達関数演算部
ＳＰ供試体

Claims

実振動波形に逆伝達関数を乗じて生成された駆動信号により負荷アクチュエータを駆動して供試体に負荷を与えるようにした疲労試験機であって、
前記実振動波形を分割する波形分割手段と、
前記分割された実振動波形と逆伝達関数とにより分割駆動信号を生成する分割駆動信号生成手段と、
前記分割駆動信号を継ぎ合わせて前記駆動信号を生成する駆動信号生成手段とを備え、
前記波形分割手段は、重複時間を設けて前記実振動波形を分割し、
前記駆動信号生成手段は、前記重複時間において、２つの分割駆動信号が一致する時刻、または最も近接する時刻で前記分割駆動信号を継ぎ合わせて前記駆動信号を生成することを特徴とする疲労試験機。
実振動波形に逆伝達関数を乗じて駆動信号を生成する駆動信号生成装置であって、
前記実振動波形を分割する波形分割手段と、
前記分割された実振動波形と逆伝達関数とにより分割駆動信号を生成する分割駆動信号生成手段と、
前記分割駆動信号を継ぎ合わせて前記駆動信号を生成する駆動信号生成手段とを備え、
前記実振動波形分割手段は、重複時間を設けて前記実振動波形を分割し、
前記駆動信号生成手段は、前記重複時間において、２つの分割駆動信号が一致する時刻、または最も近接する時刻で前記分割駆動信号を継ぎ合わせて前記駆動信号を生成することを特徴とする駆動信号生成装置。