JP3138716U

JP3138716U - 試験装置

Info

Publication number: JP3138716U
Application number: JP2007008361U
Authority: JP
Inventors: 融松浦
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2007-10-30
Filing date: 2007-10-30
Publication date: 2008-01-17
Anticipated expiration: 2017-10-30

Abstract

【課題】精度よく加速振幅一定の試験を行う。
【解決手段】試験体１を負荷するアクチュエータ２と、加速度振幅｜ａ｜と変位振幅｜Ａ｜と周波数ｆとの関係に基づき、加速度振幅を一定とするような目標変位波形を設定する目標変位設定手段１４と、アクチュエータ２の変位を検出する変位検出手段４と、変位検出手段４により検出された変位が目標変位設定手段１４により設定された目標変位波形となるようにアクチュエータ２をフィードバック制御する制御手段１０とを備える。
【選択図】図２

Description

本考案は、試験体に負荷する加速度波形の振幅（加速度振幅）を一定とするような試験を行う試験装置に関する。

加速度振幅が一定となるように周波数をスイープして試験体を加振する試験装置が知られている（例えば特許文献１参照）。この公報記載の装置では、試験時に試験体に作用する加速度を加速度センサにより検出し、検出した加速度と目標加速度振幅との偏差に基づきアクチュエータを制御する。

特開２００１−１６５８３２号公報

しかしながら、加速度計を加振点に設置することは困難である。このため、加速度計は加振点の近傍に設置されるが、この場合には加速度計が加振点以外の部分振動を検出し、加速度振幅を目標加速度振幅に精度よく一致させることができない。

本考案による試験装置は、試験体に負荷する加速度波形の振幅（加速度振幅）を一定とするような試験を行う装置であって、試験体を負荷するアクチュエータと、加速度振幅と変位振幅と周波数との関係に基づき、加速度振幅を一定とするような目標変位波形を設定する目標変位設定手段と、アクチュエータの変位を検出する変位検出手段と、変位検出手段により検出された変位が目標変位設定手段により設定された目標変位波形となるようにアクチュエータをフィードバック制御する制御手段とを備えることを特徴とする。
周波数に応じて目標変位の補正係数を設定する係数設定手段をさらに有し、係数設定手段で設定された補正係数により目標変位波形を補正し、補正後の目標変位波形と検出された変位とに基づきアクチュエータをフィードバック制御することが好ましい。
補正係数を、加速度波形の周波数が高い領域での制御系の応答遅れに伴う目標変位と実変位との差分を補償するように予め算出された係数とすることもできる。
所定周波数の範囲で、所定量づつ周波数を増加させるような連続波形を目標変位波形として設定することもできる。

本考案によれば、アクチュエータの変位を検出する変位検出手段を用いて変位制御により加速度振幅一定の試験を行うので、試験精度が向上する。

以下、図１〜図７を参照して本考案による試験装置の実施の形態について説明する。
図１は、本実施の形態に係る試験装置の概略構成を示す図である。試験体１には加振点Ｐを介してアクチュエータ２により加振力が負荷される。アクチュエータ２は例えば高周波数で駆動可能な油圧シリンダであり、コントローラ１０からサーボバルブ３へ出力される制御信号によりアクチュエータ２の駆動が制御される。なお、アクチュエータ２を電磁力により駆動する電磁アクチュエータとして構成することもできる。アクチュエータ２の変位は変位計４により検出される。

加振点Ｐにおいて試験体１に作用する加速度をａ、加振点Ｐの変位をＡ，加振周波数をｆとすると、加速度ａは一般に次式(I)で表せる。
ａ＝−（２πｆ）^２Ａｓｉｎ（２πｆｔ） (I)
上式(I)より変位Ａは次式(II)となる。
Ａ＝−ａ／（（２πｆ）^２ｓｉｎ（２πｆｔ）） (II)
加速度波形の振幅（加速度振幅）を｜ａ｜、加速度振幅｜ａ｜に対応した変位振幅を｜Ａ｜とすると、−１≦ｓｉｎ（２πｆｔ）≦１より変位振幅｜Ａ｜は次式(III)となる。
｜Ａ｜＝｜ａ｜／（２πｆ）^２ (III)

上式(III)より加速度振幅｜ａ｜を一定とするための周波数ｆごとの変位振幅｜Ａ｜を求め、これを目標変位波形として表すと、図２に示すようになる。図中、ｆ０は最小周波数、ｆ１は最大周波数であり、時間経過に伴い最低周波数ｆ０から最大周波数ｆ１にかけて所定の割合で（例えば１Ｈｚづつ）周波数が徐々に増加している。すなわち周波数が時間経過に伴い変化したスイープ波形となっている。なお、図２では、各周波数毎に１サイクルづつ加振波形を与えており、周波数が高いほど１サイクルの時間は短い。

このような目標変位波形に沿ってアクチュエータ２を制御することで、加速度計を用いることなく、加振信号の周波数をスイープした加速度振幅一定の加振試験を行うことができる。この場合、変位計４は加速度計に比べ振動等によるノイズが少ないため、精度よく加速度振幅一定の試験を行うことができる。

これに対し、例えば加速度計を用いて加速度振幅一定の試験を行う場合、加速度計を加振点Ｐに設置することはできないため、例えば図１に示すように加振点Ｐの近傍に加速度計５を設置する。しかし、この状態では、加速度計５は加振点以外の部分振動を検出するので、ノイズが大きくなり、精度よく加速度振幅一定の試験を行うことができない。

ところで、本実施の形態では、変位計４の検出値（変位振幅｜Ａ０｜）が目標値（目標変位振幅｜Ａ１｜）と等しくなるようにフィードバック制御により加速度振幅一定の試験を行う。この際、加振信号の周波数が高くなると、変位計４の応答性等の影響でフィードバック制御が追従できず、高周波数では加速度振幅一定の試験を精度よく行うことが難しい。

すなわち、図３（ａ）に示すように周波数が高くなると目標変位振幅｜Ａ１｜（実線）よりも実際の変位振幅｜Ａ０｜（点線）の方が小さくなる。その結果、図３（ｂ）の点線に示すように加速度振幅は一定（実線）とならず、高周波数で目標値から乖離する。そこで、高周波数領域においても精度よく加速度振幅を一定とできるように、本実施の形態では、後述のように周波数に応じて目標変位波形を補正する。

図１に示すようにコントローラ１０は、目標変位波形を補正するための補正係数１／ｋｆを設定する係数設定処理部１０Ａと、補正後の目標変位波形に応じてアクチュエータ２をフィードバック制御するアクチュエータ制御部１０Ｂとを有し、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ，その他の周辺回路を含んで構成される。コントローラ１０には、変位計４と、試験条件入力部１１と、係数設定スイッチ１２等からの信号が入力される。これらからの信号に基づきコントローラ１０は以下のようにサーボバルブ３に制御信号を出力する。

図４は、係数設定部１０Ａにおける処理の一例を示すフローチャートである。このフローチャートに示す処理は、試験に先立って補正係数１／ｋｆを算出するために行われるものであり、設定スイッチ１２のオンにより開始される。ステップＳ１では、図２に示すような周波数スイープした連続波形を目標変位波形として設定する。ステップＳ２では、この目標変位波形に従いサーボバルブ３に加振信号を出力する。

ステップＳ３では、変位計４の検出値（変位振幅｜Ａ１｜）を読み込み、メモリに記憶する。ステップＳ４では、周波数のスイープが終了したか否かを判定する。ステップＳ４が否定されるとステップＳ２に戻り、周波数が最大周波数ｆ１となるまで周波数を所定の割合で増加させ、同様な処理を繰り返す。ステップＳ４が肯定されるとステップＳ５に進み、図２の目標変位振幅｜Ａ０｜と変位計５で検出した変位振幅｜Ａ１｜との比（｜Ａ１／Ａ０｜を算出し、これを補正係数１／ｋｆとして係数設定部１３（図６）に記憶する。

図５は、係数設定処理部１０Ａの処理によって得られた補正係数１／ｋｆの特性を示す図である。図５に示すように、補正係数１／ｋｆは周波数の増加に伴い徐々に減少している。

図６は、アクチュエータ制御部１０Ｂにおける処理の一例を示すブロック図である。試験条件入力部１１には、試験条件として目標加速度振幅｜ａ０｜、加速度振幅の平均値、試験体１を加振する周波数の範囲、つまり最低周波数ｆ０と最大周波数ｆ１、周波数の増加の割合、試験体１を加振する各周波数の周期（同一周波数で繰り返し行う回数）等が入力される。目標波形発生部１４では、試験条件入力部１１からの信号に基づき、上式(III)の関係を用いて加速度振幅｜ａ｜が一定となるような目標変位波形（例えば図２に示す波形）を発生させる。

補正係数設定部１３には、上述した係数設定処理部１０Ａでの処理により予め補正係数１／ｋｆが設定されている。乗算部１５では、目標変位波形に補正係数１／ｋｆの逆数ｋｆを乗算する。これにより目標変位振幅｜Ａ０｜を｜Ａ０’｜に補正する。加算部１６では、補正後の目標変位波形から変位計４の検出値を減算し、目標変位信号を算出する。出力部１７では、目標変位信号に対応した制御信号をサーボバルブ３に出力する。

本実施の形態に係る試験装置の動作をまとめると次のようになる。まず、加速度振幅一定の試験を行う前に、予めアクチュエータ２に低周波数から高周波数にかけてスイープした加振信号を負荷し、周波数毎に変位振幅の補正係数１／ｋｆを設定する（図４）。

加速度振幅一定の試験を行う場合は、加速度振幅一定とする加速度波形に対応した目標変位波形を設定し、これに補正係数の逆数ｋｆを乗じて補正する。図７は、補正後の目標変位波形の一例を示す図である。図２と比較すると、周波数が高い領域で目標変位振幅が大きくなっている。この図７の変位波形と変位計５の検出値との偏差に基づきサーボバルブ３に制御信号を出力し、変位偏差が０となるようにアクチュエータ２を制御（フィードバック制御）する。このとき見かけ上は目標変位振幅｜Ａ’｜で試験体１を加振するが、実際には目標変位振幅｜Ａ｜で試験体１が加振される。このため、制御系の応答遅れに伴う目標変位と実変位との差分を補償し、高周波領域においても精度よく加速度振幅｜ａ｜を一定とすることができる。

本実施の形態によれば以下のような作用効果を奏することができる。
（１）加速度振幅を一定とする目標変位波形を設定し、変位制御により加速度振幅一定の試験を行うようにしたので、加速度計５を用いて加速度制御により試験を行う場合に比べ、精度よく加速度振幅を一定とすることができる。
（２）目標変位振幅｜Ａ０｜と変位計４の検出値｜Ａ１｜の比である補正係数１／ｋｆを事前に求めて設定し、補正係数により目標変位波形を補正するようにしたので、周波数が高い領域においても精度よく加速度振幅を一定とした試験を行うことができる。

なお、上記実施の形態では、補正係数１／ｋｆにより目標変位波形を補正するようにしたが、少なくとも変位制御によりアクチュエータ２をフィードバック制御して加速度振幅一定の試験を行うのであれば、目標変位波形を補正しなくてもよい。したがって、係数設定手段としての係数設定部１３は省略してもよく、制御手段としてのコントローラ１０の構成、とくに加算部１６、出力部１７等、フィードバック制御に関する構成は上述したものに限らない。最小周波数ｆ０から最大周波数ｆ１にかけて周波数をスイープするようにしたが、周波数をスイープせずに加速度振幅一定の加振試験を行うようにしてもよい。

試験体１を負荷するアクチュエータ２の構成はいかなるものでもよい。目標変位波形発生部１４で、加速度振幅を一定とするような目標変位波形を設定するようにしたが、目標変位設定手段の構成はいかなるものでもよい。変位検出手段としての変位計４の構成もいかなるものでもよい。すなわち、本考案の特徴、機能を実現できる限り、本考案は実施の形態の試験装置に限定されない。

本考案の実施の形態に係る試験装置の概略構成を示す図。加速度振幅を一定とする目標変位波形の一例を示す図。（ａ）は周波数と変位振幅の関係を示す図であり、（ｂ）は周波数と加速度振幅の関係を示す図。図１の係数設定部における処理の一例を示すフローチャート。図４の処理によって得られた補正係数を示す図。図１のアクチュエータ制御部における処理の一例を示すブロック図。補正後の目標変位波形の一例を示す図。

符号の説明

１試験体
２アクチュエータ
３サーボバルブ
４変位計
１０コントローラ
１０Ａ係数設定処理部
１０Ｂアクチュエータ制御部
１３係数設定部
１４目標変位波形発生部

Claims

試験体に負荷する加速度波形の振幅（加速度振幅）を一定とするような試験を行う装置であって、
前記試験体を負荷するアクチュエータと、
加速度振幅と変位振幅と周波数との関係に基づき、加速度振幅を一定とするような目標変位波形を設定する目標変位設定手段と、
前記アクチュエータの変位を検出する変位検出手段と、
前記変位検出手段により検出された変位が前記目標変位設定手段により設定された目標変位波形となるように前記アクチュエータをフィードバック制御する制御手段とを備えることを特徴とする試験装置。
請求項１に記載の試験装置において、
周波数に応じて目標変位の補正係数を設定する係数設定手段をさらに有し、
前記目標変位設定手段は、前記係数設定手段で設定された補正係数により前記目標変位波形を補正し、
前記制御手段は、補正後の目標変位波形と検出された変位とに基づき前記アクチュエータをフィードバック制御することを特徴とする試験装置。
請求項２に記載の試験装置において、
前記補正係数は、加速度波形の周波数が高い領域での制御系の応答遅れに伴う目標変位と実変位との差分を補償するように予め算出された係数であることを特徴とする試験装置。
請求項１〜３のいずれか１項２に記載の試験装置において、
前記目標変位設定手段は、所定周波数の範囲で、所定量づつ周波数を増加させるような連続波形を前記目標変位波形として設定することを特徴とする試験装置。