JP4633838B2 - 振動試験装置 - Google Patents

Description

本発明は、ワークを振動させる振動試験装置に関する。

従来より、特許文献１に記載のもののようなサーボモータと送りねじによって可動部を往復駆動し、可動部に固定された材料（ワーク）を振動させる振動試験装置が利用されている。このような振動試験装置においては、可動部の変位量を細かく制御できるため、正弦波や矩形波、三角波といった単純な振動波形のみならず、複雑なユーザ定義波形にてワークを振動させることも可能である。特に、近年は高速の信号処理回路（ＤＳＰ）や応答性の高いサーボモータが実現されつつあり、より複雑な振動波形をもってワークを振動させることが可能となっている。
特開平８−１７８７９３号

このような、ユーザ定義波形をもってワークの振動を行う目的として、そのワークが実際に使用されている環境を実験室にて再現し、その状態でのワークの挙動を観察する、というものが考えられる。例えば、ワークが自動車の車体である場合、実際に自動車を走行させたときに車体に加わる加速度を計測し、この計測結果と同じ加速度がワークに作用するように、試験装置を作動する、という再現試験が考えられる。

このような再現試験を行う場合、ワークを実際に使用した時の計測結果を、動力伝達系の特性（例えば減速機の減速比）やワークの弾性率を考慮して加工してサーボモータの目標波形を推定し、これをサーボアンプに入力することが考えられる。

しかしながら、特に高周波域においては、ワーク自身、或いは試験装置の動力伝達系の弾性や損失の影響が大きくなり、計測結果から推定される目標波形をサーボアンプに入力しても、所望の変位量でワークを振動させることができない（ワークを実際に使用した時の計測結果が再現されない）ことが多い。そのため、従来はオペレータの試行錯誤によって各種パラメータを調整する必要があった。

本発明は上記の問題を解決するために成されたものである。すなわち、本発明は、サーボアンプへ入力する目標波形を、それによって所望の変位波形でワークを振動できるような値に演算可能な振動試験装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明の振動試験装置は、離散化された少なくとも一周期分の入力波形データを入力する波形データ入力手段と、入力波形データをスペクトルに変換する演算を行い初期スペクトルデータを生成する第１のスペクトル演算手段と、初期スペクトルデータにおいて、周波数ごとに定められた補正係数を初期スペクトルデータの各スペクトル成分に乗じて第１のスペクトルデータを生成するスペクトルデータ補正手段と、第１のスペクトルデータを逆変換して 得られる試験用波形データに基づいてテスト用ワークを振動させるワーク試験手段と、ワーク試験手段によって振動するテスト用ワークの変位量の変動を示す出力波形データを取得する出力波形データ取得手段と、出力波形データに基づいてテスト用ワークの変位量の変動波形のスペクトルを演算して第２のスペクトルデータを得る第２のスペクトル演算手段と、初期スペクトルデータの各周波数のスペクトル成分と第２のスペクトルデータの対応する周波数のスペクトル成分とに基づいて補正係数を修正する補正係数修正手段と、を有し、修正された補正係数に基づいて補正された初期スペクトルデータを逆変換して得られる波形データに基づいて、可動部を往復駆動する。

以上のように、本発明の振動試験装置においては、入力波形データと出力波形データとをスペクトル解析し、周波数ごとに補正係数を求めている。そして、補正係数が修正された第１のスペクトルデータに基づいて演算される目標波形をサーボアンプに入力することによって、オペレータが試行錯誤を行うことなく、所望の波形で振動を行うことができるようになる。

また、補正係数修正手段が初期スペクトルデータの各周波数のスペクトル成分の量を第２のスペクトルデータの対応する周波数のスペクトル成分の量で割った値を、補正前の対応する周波数のスペクトル成分の補正係数に乗じることによって、周波数毎に定められた補正係数の修正を行うことが好適である。

また、初期スペクトルデータの各周波数のスペクトル成分を第２のスペクトルデータの対応する周波数のスペクトル成分で割った値が所定の範囲内に納まっているかどうかに基づいて、対応する周波数のスペクトル成分の補正係数の修正が必要であるかどうかを判定する修正判定手段と、修正判定手段によって補正係数の修正が必要であると判定された時にワーク試験手段は補正係数修正手段によって補正係数が修正された第１のスペクトルデータを逆変換して得られる試験用波形データに基づいて、テスト用ワークの再試験を行う構成とすることが好適である。

このように、入力波形データと出力波形データが近づくまで再試験を繰り返すことによって、より好適な補正係数を得ることができる。

また、所定の範囲内は、０．９５から１．０５の間であることが好適である。さらに、所定の範囲内は、０．９９から１．０１の間であることがより好適である。

また、第１及び第２のスペクトル演算手段は、例えば離散フーリエ変換によってスペクトルを演算するものである。

また、例えば振動試験装置は、送りねじ機構を介して可動部を直線往復駆動させるものであり、ワークの変位量が可動部の変位量である。

また、第１及び第２のスペクトル演算手段は、入力波形データや出力波形データからスペクトルを演算する前に、波形データの高周波成分のカットを行うことが好ましい。この構成は、入力波形データ及び出力波形データが離散化されたデータ群である場合に、本来高周波域のスペクトル成分が低周波域のスペクトル成分として演算されてしまう可能性を除外することができる。

以上のように、本発明によれば、所望の波形でワークを振動させることができるようにサーボアンプへ入力する目標波形を演算可能な振動試験装置が実現される。

以下、本発明の実施の形態につき、図面を用いて詳細に説明する。図１は、本実施形態の振動試験装置の上面図である。本実施形態の振動試験装置１は、振動試験の対象であるワークをテーブル１００の上に固定し、第１、第２、第３アクチュエータ２００、３００及び４００を用いてテーブル１００及びその上のワークを直交３軸方向に加振するようになっている。なお、以下の説明においては、第１アクチュエータ２００がテーブル１００を加振する方向（図１における上下方向）をＸ軸方向、第２アクチュエータ３００がテーブル１００を加振する方向（図１における左右方向）をＹ軸方向、第３アクチュエータ４００がテーブルを加振する方向、すなわち鉛直方向（図１において、紙面に直交する方向）をＺ軸方向と定義する。

また、テーブル１００上には、Ｘ、Ｙ及びＺ軸方向の加速度を計測する加速度センサが設けられており、この加速度センサの出力に基づいて図示しない制御部５００（後述）が第１、第２、第３アクチュエータ２００、３００、４００をフィードバック制御することによって、所望の振幅、周波数でテーブル１００及びその上のワークを加振することができる。

第１、第２、第３アクチュエータ２００、３００、４００は夫々ベースプレート２０２、３０２、４０２の上にモータ、動力伝達部材等が取り付けられる構成となっている。このベースプレート２０２、３０２、４０２は、図示しないボルトによって、装置ベース２の上に固定されるようになっている。

また、装置ベース２の上のベースプレート２０２、３０２、４０２に近接する複数の位置には、アジャスタＡが配置されている。アジャスタＡは、装置ベース２にボルトＡ_Ｂで固定されるめねじ部Ａ_１と、このめねじ部Ａ_１にねじ込まれているおねじ部Ａ_２とを有する。おねじ部Ａ_２は、円筒面にネジ山が形成された円柱状の部材であり、おねじ部Ａ_２をめねじ部Ａ_１内で回動させることによって、おねじ部Ａ_２を対応するベースプレートに対して進退させることができる。おねじ部Ａ_２の一端（対応するベースプレートに対して近位となる側）は、略球面状に突出しており、この突出部と対応するベースプレートの側面とを当接させることによって、ベースプレートの位置の微調整を行うことができる。また、おねじ部Ａ_２の他端（対応するベースプレートに対して遠位となる側）には、図示しない六角穴が形成されており、この六角穴に六角レンチなどを係合させて回すことによっておねじ部Ａ_２を回動させることができる。なお、一旦ベースプレート２０２、３０２、４０２を固定した後は、振動試験によってベースプレートからアジャスタＡに伝達されうる振動等によっておねじ部Ａ_２が緩まないように、ナットＡ_３によっておねじ部Ａ_２及びめねじ部Ａ_１の締め付けを行い、おねじ部Ａ_２をめねじ部Ａ_Ｂに強固に結合させている。

第１アクチュエータ２００の構成につき以下説明する。図２は、本実施形態の第１アクチュエータ２００をＹ軸方向に投影し、一部を切り欠いた側面図である。また、図３は、第１アクチュエータ２００の一部切り欠いた上面図（すなわちＺ軸方向に投影した図）である。なお、以下の説明においては、第１アクチュエータ２００からテーブル１００に向うＸ軸に沿った方向を「Ｘ軸正の方向」、テーブル１００から第１アクチュエータ２００に向うＸ軸に沿った方向を「Ｘ軸負の方向」と定める。

図２に示されるように、ベースプレート２０２の上には、互いに溶接された複数のはり２２２ａと、天板２２２ｂからなるフレーム２２２が溶接によって固定されている。また、テーブル１００（図１）を加振するための駆動機構２１０や駆動機構２１０による加振運動をテーブルに伝達させるための連結機構２３０を支持するための支持機構２４０の底板２４２が、フレーム２２２の天板２２２ｂの上に図示しないボルトを介して固定されている。

駆動機構２１０は、サーボモータ２１２と、カップリング２１４と、軸受部２１６と、ボールねじ２１８と、ボールナット２１９と、を有する。カップリング２１４は、サーボモータ２１２の駆動軸２１２ａとボールねじ２１８とを連結するものである。また、軸受部２１６は、支持機構２４０の底板２４２から鉛直方向に伸びるように溶接された軸受支持プレート２４４に固定されており、ボールねじ２１８を回転可能に支持するようになっている。ボールナット２１９は、ボールねじ２１８と係合すると共に、その軸回りに回転しないよう支持されている。そのため、サーボモータ２１２を駆動すると、ボールねじ２１８が回転して、ボールナット２１９がその軸方向（すなわちＸ軸方向）に進退する。このボールナット２１９の運動が、連結機構２３０を介してテーブル１００に伝達されることによって、テーブル１００はＸ軸方向に駆動される。そして、短い周期でサーボモータ２１２の回転方向を切り換えるようサーボモータ２１２を制御することによって、テーブル１００を所望の振幅及び周期でＸ軸方向に加振させることができる。

支持機構２４０の底板２４２の上面には、鉛直方向に伸びるモータ支持プレート２４６が溶接されている。モータ支持プレート２４６は、サーボモータ２１２の軸方向に略垂直となるように設けられており、その一面（Ｘ軸負の方向側の面）にサーボモータ２１２が片持ち支持されている。モータ支持プレート２４６には、開口部２４６ａが設けられており、サーボモータ２１２の駆動軸２１２ａはこの開口部２４６ａを貫通し、モータ支持プレート２４６の他面側でボールねじ２１８と連結される。

なお、サーボモータ２１２がモータ支持プレート２４６に片持ち支持されているため、モータ支持プレート２４６、特に底板２４２との溶接部には大きな曲げ応力が加わる。この曲げ応力を緩和するために、底板２４２とモータ支持プレート２４６との間には、リブ２４８が設けられている。

軸受部２１６は、正面組合せで組み合わされた一対のアンギュラ玉軸受２１６ａ、２１６ｂ（Ｘ軸負の方向側にあるものが２１６ａであり、Ｘ軸正の方向側にあるものが２１６ｂである）を有する。アンギュラ玉軸受２１６ａ、２１６ｂは、軸受支持プレート２４４の中空部の中に収納されている。アンギュラ玉軸受２１６ｂの一面（Ｘ軸正の方向側の面）には、軸受押圧プレート２１６ｃが設けられており、この軸受押圧プレート２１６ｃをボルト２１６ｄを用いて軸受支持プレート２４４に締結することによって、アンギュラ玉軸受２１６ｂはＸ軸負の方向に押し込まれる。また、ボールねじ２１８において、軸受部２１６に対してＸ軸負の方向側に隣接する円筒面には、ねじ部２１８ａが形成されており、このねじ部２１８ａにめねじが内周に形成されたカラー２１７が取り付けられるようになっている。カラー２１７をボールねじ２１８に対して回動させてＸ軸正の方向に移動させることによって、アンギュラ玉軸受２１６ａはＸ軸正の方向に押し込まれる。このように、アンギュラ玉軸受２１６ａと２１６ｂが、互いに近づく方向に押し込まれるようになっているので、両者が互いに密着して好適なプリロードがアンギュラ玉軸受２１６ａ、２１６ｂに付与される。

次いで、連結部２３０の構成につき説明する。連結部２３０は、ナットガイド２３２と、一対のＹ軸レール２３４と、一対のＺ軸レール２３５と、中間ステージ２３１と、一対のＸ軸レール２３７と、一対のＸ軸ランナーブロック２３３と、ランナーブロック取付部材２３８と、を有する。

ナットガイド２３２は、ボールナット２１９に固定されている。また、一対のＹ軸レール２３４は、共にＹ軸方向に伸びるレールであり、ナットガイド２３２のＸ軸正の方向側の端部に、上下方向に並べて固定されている。また、一対のＺ軸レール２３５は、共にＺ軸方向に伸びるレールであり、テーブル１００のＸ軸負の方向側の端部に、Ｙ軸方向に並べて固定されている。中間ステージ２３１は、このＹ軸レール２３４の各々と係合するＹ軸ランナーブロック２３１ａがＸ軸負の方向側に、Ｚ軸レール２３５の各々と係合するＺ軸ランナーブロック２３１ｂがＸ軸正の方向側に設けられているブロックであり、Ｙ軸レール２３４及びＺ軸レール２３５の双方に対してスライド可能に構成されている。

すなわち、中間ステージ２３１は、テーブル１００に対してＺ軸方向にスライド可能であり、且つ、ナットガイド２３２に対してＹ軸方向にスライド可能である。すなわち、テーブル１００に対してナットガイド２３１はＹ軸方向及びＺ軸方向にスライド可能となっている。このため、他のアクチュエータ３００及び／または４００によってテーブル１００がＹ軸方向及び／またはＺ軸方向に加振されたとしても、それによってナットガイド２３２が変位することはない。すなわち、テーブル１００のＹ軸方向及び／またはＺ軸方向の変位に起因する曲げ応力がボールねじ２１８や軸受部２１６、カップリング２１４などに加わることはない。

一対のＸ軸レール２３７は、共にＸ軸方向に伸びるレールであり、支持機構２４０の底板２４２の上に、Ｙ軸方向に並べて固定されている。Ｘ軸ランナーブロック２３３は、このＸ軸レール２３７の各々と係合し、Ｘ軸レール２３７に沿ってスライド可能となっている。ランナーブロック取付部材２３８は、Ｙ軸方向両側に向って張り出すようにナットガイド２３２の底面に固定された部材であり、Ｘ軸ランナーブロック２３３はランナーブロック取付部材２３８の底部に固定されている。このように、ナットガイド２３２は、ランナーブロック取付部材２３８及びＸ軸ランナーブロック２３３を介してＸ軸レール２３７にガイドされており、これによって、Ｘ軸方向のみに移動可能となっている。

このように、ナットガイド２３２の移動方向がＸ軸方向のみに制限されているため、サーボモータ２１２を駆動してボールねじ２１８を回動させると、ナットガイド２３２及びこのナットガイドと係合するテーブル１００は、Ｘ軸方向に進退する。

ランナーブロック取付部材２３８の、Ｙ軸方向側の一方の側面（図２においては手前側、図３においては右側）２３８ａには、位置検出手段２５０が配置されている。位置検出手段２５０は、Ｘ軸方向に一定間隔で並べられた３つの近接センサ２５１と、ランナーブロック取付部材２３８の側面２３８ａに設けられた検出用プレート２５２と、近接センサ２５１を支持するセンサ支持プレート２５３とを有する。近接センサ２５１は、各々の近接センサの前に何らかの物体が近接して（例えば１ミリメートル以内）いるかどうかを検出可能な素子である。ランナーブロック取付部材２３８の側面２３８ａと近接センサ２５１とは充分に離れているため、近接センサ２５１は、各々の近接センサ２５１の前に検出用プレート２５２があるかどうかを検知することができる。振動試験装置１の図示しない制御手段は、例えば近接センサ２５１の検出結果を用いてサーボモータ２１２をフィードバック制御することができる。

また、支持機構２４０の底板２４２の上には、Ｘ軸ランナーブロック２３３をＸ軸方向両側から挟むように配置された規制ブロック２３６が設けられている。この規制ブロック２３６は、ナットガイド２３２の移動範囲を制限するためのものである。すなわち、サーボモータ２１２を駆動させてナットガイド２３２をＸ軸正の方向に向って移動させ続けると、最終的には、Ｘ軸正の方向側に配置された規制ブロック２３６とランナーブロック取付部材２３８とが接触し、それ以上ナットガイド２３２はＸ軸正の方向に移動できなくなる。ナットガイド２３２をＸ軸負の方向に向って移動させ続ける場合も同様であり、Ｘ軸負の方向側に配置された規制ブロック２３６とランナーブロック取付部材２３８とが接触して、それ以上ナットガイド２３２はＸ軸正の方向に移動できなくなる。

以上説明した第１アクチュエータ２００と、第２アクチュエータ３００とは、設置される方向が異なる（Ｘ軸とＹ軸が入れ代わる）点を除いては同一の構造である。従って、第２アクチュエータ３００の説明については省略する。

次いで、第３アクチュエータ４００の構成につき説明する。図４は本実施形態のテーブル１００及び第３アクチュエータ４００をＸ軸方向に投影し、一部を切り欠いた側面図である。また、図５は本実施形態のテーブル１００及び第３アクチュエータ４００をＹ軸方向に投影し、一部を切り欠いた側面図である。なお、以下の説明においては、第２アクチュエータ３００からテーブル１００に向うＹ軸に沿った方向をＹ軸正の方向、テーブル１００から第２アクチュエータ３００に向うＹ軸に沿った方向をＹ軸負の方向と定義する。

図４及び５に示されるように、ベースプレート４０２の上には、鉛直方向に伸び、ベースプレート４０２に溶接された複数のはり４２２ａと、このはり４２２ａの上を覆うようにはり４２２ａに溶接された天板４２２ｂからなるフレーム４２２が設けられている。また、支持機構４４０の軸受支持プレート４４２が、フレーム４２２の天板４２２ｂの上に図示しないボルトを介して固定されている。この軸受支持プレート４４２は、テーブル１００（図１）を上下方向に加振するための駆動機構４１０や、駆動機構４１０による加振運動をテーブルに伝達させるための連結機構４３０を支持するための部材である。

駆動機構４１０は、サーボモータ４１２と、カップリング４１４と、軸受部４１６と、ボールねじ４１８と、ボールナット４１９と、を有する。カップリング４１４は、サーボモータ４１２の駆動軸４１２ａとボールねじ４１８とを連結するものである。また、軸受部４１６は、前述の軸受支持プレート４４２に固定されており、ボールねじ４１８を回転可能に支持するようになっている。ボールナット４１９は、ボールねじ４１８と係合すると共に、その軸回りに移動されないよう支持されている。そのため、サーボモータ４１２を駆動すると、ボールねじが回転して、ボールナット４１９がその軸方向（すなわちＺ軸方向）に進退する。このボールナット４１９の運動が、連結機構４３０を介してテーブル１００に伝達されることによって、テーブル１００はＺ軸方向に駆動される。そして、短い周期でサーボモータ４１２の回転方向を切り換えるようサーボモータ４１２を制御することによって、テーブル１００を所望の振幅及び周期でＺ軸方向（上下方向）に加振させることができる。

支持機構４４０の軸受支持プレート４４２の下面から、２枚の連結プレート４４３を介して、水平方向（ＸＹ平面）に広がるモータ支持プレート４４６が固定されている。モータ支持プレート４４６の下面には、サーボモータ４１２が吊り下げられ、固定されている。モータ支持プレート４４６には、開口部４４６ａが設けられており、サーボモータ２１２の駆動軸４１２ａはこの開口部４４６ａを貫通し、モータ支持プレート４４６の上面側でボールねじ４１８と連結される。

なお、本実施形態においては、フレーム４２２の高さよりもサーボモータ４１２の軸方向（上下方向、Ｚ軸方向）の寸法が大きいため、サーボモータ４１２の大部分は、ベースプレート４０２よりも低い位置に配置される。このため、装置ベース２には、サーボモータ４１２を収納するための空洞部２ａが設けられている。また、ベースプレート４０２には、サーボモータ４１２を通すための開口４０２ａが設けられている。

軸受部４１６は、軸受支持プレート４４２を貫通するように設けられている。なお、軸受部４１６の構造は、第１アクチュエータ２００における軸受部２１６（図２、図３）と同様であるので、説明は省略する。

次いで、連結部４３０の構成につき説明する。連結部２３０は、可動フレーム４３２と、一対のＸ軸レール４３４と、一対のＹ軸レール４３５と、複数の中間ステージ４３１と、二対のＺ軸レール４３７と、二対のＺ軸ランナーブロック４３３と、を有する。

可動フレーム４３２は、ボールナット４１９に固定されている枠部４３２ａと、枠部４３２ａの上端に固定された天板４３２ｂと、天板４３２ｂのＸ軸方向両縁から下方に伸びるよう固定された側壁４３２ｃと、を有する。一対のＹ軸レール４３５は、共にＹ軸方向に伸びるレールであり、可動フレーム４３２の天板４３２ｂの上面に、Ｘ軸方向に並べられて固定されている。また、一対のＸ軸レール４３４は、共にＸ軸方向に伸びるレールであり、テーブル１００の下面に、Ｙ軸方向に並べて固定されている。中間ステージ４３１は、Ｘ軸レール４３４と係合するＸ軸ランナーブロック４３１ａが上部に、Ｙ軸レール４３５の各々と係合するＹ軸ランナーブロック４３１ｂが下部に設けられているブロックであり、Ｘ軸レール４３４及びＹ軸レール４３５の双方に対してスライド可能に構成されている。なお、中間ステージ４３１は、Ｘ軸レール４３４とＹ軸レール４３５とが交差する位置毎に一つずつ設けられている。Ｘ軸レール４３４とＹ軸レール４３５は、夫々２つずつ設けられているので、Ｘ軸レール４３４とＹ軸レール４３５とは４箇所で交差する。従って、本実施形態においては、４つの中間ステージ４３１が使用される。

このように、中間ステージ４３１の各々は、テーブル１００に対してＸ軸方向にスライド可能であり、且つ、可動フレーム４３２に対してＹ軸方向にスライド可能である。すなわち、テーブル１００に対して可動フレーム４３２はＸ軸方向及びＹ軸方向にスライド可能となっている。このため、他のアクチュエータ２００及び／または３００によってテーブル１００がＸ軸方向及び／またはＹ軸方向に加振されたとしても、それによって可動フレーム４３２が変位することはない。すなわち、テーブル１００のＸ軸方向及び／またはＹ軸方向の変位に起因する曲げ応力がボールねじ４１８や軸受部４１６、カップリング４１４などに加わることはない。

また、本実施形態においては、可動フレーム４３２には比較的大重量のテーブル１００及びワークを支えるため、Ｘ軸レール４３４及びＹ軸レール４３５の間隔を、第１アクチュエータ２００のＹ軸レール２３４及びＺ軸レール２３５と比べて広くとっている。このため、第１アクチュエータ２００と同様に一つの中間ステージのみによってテーブル１００と可動フレーム４３２とを連結させる構成とすると、中間ステージが大型化し、可動フレーム４３２に加わる荷重が増大してしまう。このため、本実施形態においては、Ｘ軸レール４３４とＹ軸レール４３５とが交差する部分ごとに小型の中間ステージ４３１を配置する構成として、可動フレーム４３２に加わる荷重の大きさを必要最低限に抑えている。

二対のＺ軸レール４３７は、Ｚ軸方向に伸びるレールであり、可動フレーム４３２の側壁４３２ｃの夫々に、Ｙ軸方向に並べて一対ずつ固定されている。Ｚ軸ランナーブロック４３３は、このＺ軸レール４３７の各々と係合し、Ｚ軸レール４３７に沿ってスライド可能となっている。Ｚ軸ランナーブロック４３３は、ランナーブロック取付部材４３８を介してフレーム４２２の天板４２２ｂ上に固定されるようになっている。ランナーブロック取付部材４３８は、可動フレーム４３２の側壁４３２ｃと略平行な側板４３８ａと、この側板４３８ａの下端に固定された底板４３８ｂとを有しており、全体としてはＬ字断面形状となっている。また、本実施形態においては、特に重心の高く且つ大重量のワークをテーブル１００の上に固定すると、Ｘ軸回り及び／またはＹ軸回りの大きなモーメントが可動フレーム４３２に加わりやすくなっている。ランナーブロック取付部材４３８は、この回転モーメントに耐えられるよう、リブによって補強されている。具体的には、ランナーブロック取付部材４３８のＹ軸方向両端における側板４３８ａと底板４３８ｂとが成すコーナーに、一対の第１リブ４３８ｃが設けられ、さらに、この一対の第１リブ４３８ｃの間に渡された第２リブ４３８ｄが設けられている。

このように、Ｚ軸ランナーブロック４３３が固定されており、且つＺ軸レール４３７に対してスライド可能となっている。従って、可動フレーム４３２は、上下方向にスライド可能であるとともに、可動フレーム４３２の上下方向以外の移動は規制される。このように、可動フレーム４３２の移動方向が上下方向のみに制限されているため、サーボモータ４１２を駆動してボールねじ４１８を回動させると、可動フレーム４３２及びこの可動フレーム４３２と係合するテーブル１００は、上下方向に進退する。

また、第１アクチュエータ２００の位置検出手段２５０（図２、３）と同様の位置検出手段（不図示）が第３アクチュエータ４００にも設けられている。振動試験装置１の図示しない制御手段は、この位置検出手段の検出結果に基づいて、可動フレーム４３２の高さが所定の範囲内となるように制御することができる。

以上説明したように、本実施形態においては、各々のアクチュエータとテーブル１００との間に、二対のレールとこのレールに対してスライド可能に構成された中間ステージが設けられている。これによって、各アクチュエータに対して、テーブル１００はそのアクチュエータの駆動方向に垂直な面上の任意の方向にスライド可能となっている。このため、あるアクチュエータによってテーブル１００が変位したとしても、この変位に起因する荷重やモーメントが他のアクチュエータに加わることは無く、且つ他のアクチュエータとテーブル１００とが中間ステージを介して係合する状態が維持される。すなわち、テーブルが任意の位置に変位したとしても、各アクチュエータがテーブルを変位させることが可能な状態が維持される。このため、本実施形態においては、３つのアクチュエータ２００、３００、４００を同時に駆動させてテーブル１００及びその上に固定されるワークを３軸方向に加振可能である。

次いで、各アクチュエータ２００、３００及び４００のサーボモータを制御するための制御部５００の構成につき説明する。図６は、本実施形態の制御部５００のブロック図である。図６に示されているように、本実施形態の制御部５００は、主コントローラ５１０、サーボコントローラ５２０、アンプ５４０、操作手段５５０、波形発生回路５６０、フレキシブルディスクドライブ（ＦＤＤ）５７０、メモリ５８０及びアナログポート５９０を有する。なお、図６においては、制御部５００は一つのブロックとして記載されているが、実際は複数のユニットによって形成される。例えば、アンプ５４０が独立したユニットとして形成される。また、操作手段５５０は、主コントローラ５１０を含むユニットのケース外面に設けられる制御パネルであってもよく、或いは、ケーブルを介して主コントローラ５１０に接続される独立したユニット（例えばパーソナルコンピュータ）であってもよい。

主コントローラ５１０は、Ａ／Ｄコンバータ５１１及びＤ／Ａコンバータ５１２を内蔵している。Ａ／Ｄコンバータ５１１は、アンプ５４０を介してテーブル１００（図１）に設けられた加速度センサより入力されるワークのＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸方向の加速度の波形、及びアナログポート５９０から入力されるアナログ波形データを離散化する。また、Ｄ／Ａコンバータ５１２は、主コントローラ５１０で生成されるデジタル波形データをアナログ波形データに変換してサーボコントローラ５２０に送信する。

サーボコントローラ５２０は、主コントローラ５１０から受信したアナログ波形データから、サーボアンプに送る設定角度を算出し、これをサーボアンプに送る。サーボアンプは、各アクチュエータ２００、３００及び４００のサーボモータに駆動電流を供給し、各サーボモータの駆動軸の位相が設定角度となるよう制御する。ここで、サーボアンプはアクチュエータ２００、３００、４００毎に用意されている。主コントローラ５１０は、アクチュエータ２００、３００、４００毎に別個のアナログ波形データを生成し、これをサーボコントローラ５２０に送信している。サーボコントローラ５２０は、受信したアナログ波形データから得られる各アクチュエータ２００、３００、４００のサーボモータの駆動軸の設定角度を、対応するサーボアンプに送信する。このように、本実施形態においては、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向夫々について、別個の波形でテーブル１００を振動させることができるようになっている。

このように、本実施形態の振動試験装置１の制御部５００は、テーブル１００（図１に記載）に設けられた３軸の加速度センサによって検出されたワークの加速度に基づいて、テーブル１００上のワークの変位、速度又は加速度の経時変動が所望の波形を示すように、各アクチュエータ２００、３００及び４００のサーボアンプに設定角度を送信するものである。

テーブル１００上のワークに与える作用（変位、速度、又は加速度）の波形は、操作手段５５０を用いて設定される。操作手段５５０は、例えばキーボードなどの入力手段と、この入力手段による入力結果を確認するための表示手段とを備えており、本実施形態の振動試験装置１のオペレータは、操作手段５５０を操作して、振動試験を行う際のワーク（テーブル１００）の変位、速度、又は加速度の範囲を設定することができる。例えば、正弦波状の変位波形でワークを振動させる際の変位の振幅を設定することができる。操作手段５５０による設定結果は、主コントローラ５１０に送信され、メモリ５８０に保存される。

また、波形発生回路５６０は、所望の周期・タイミングで正弦波、三角波、矩形波、地震波などの信号波形を生成する回路である。より具体的には、ｆ（ｔ）を時刻ｔを引数とする関数としたときに、式ｓ＝ｆ（ｔ）で示される値ｓを順次主コントローラ５１０に出力するものである。なお、上式において、例えば波形が正弦波であれば、周期をＴ、位相をａとして、ｆ（ｔ）＝ｓｉｎ（２π（ｔ−ａ）／Ｔ）である。ここで、周期Ｔ及び位相ａは、操作手段５５０を操作することによって任意の値に設定可能である。

主コントローラ５１０は、波形発生回路５６０から主コントローラ５１０に送信される値に、操作手段５５０によって設定された値（振幅など）を乗じて目標値を演算し、この目標値と、テーブル１００に設けられた加速度センサが検出した加速度（又はそれらの時間積分値であるワークの速度や変位量）とを比較して、各アクチュエータ２００、３００及び４００のサーボアンプに送るべき設定角度を演算する。演算された設定角度は、Ｄ／Ａコンバータ５１２によってアナログ波形に変換されてサーボコントローラ５２０に送られる。サーボコントローラ５２０は、アナログ波形として送信された設定角度をパルスに変換してサーボアンプに送信する。

以上のような構成により、本実施形態の振動試験装置１は、ワークの変位、速度或いは加速度が、正弦波、三角波、矩形波或いは地震波といった規定の波形に従って変動するように、アクチュエータ２００、３００及び４００を駆動することが出来るようになっている。

また、本実施形態の振動試験装置１は、上記の規定の波形の代わりに、装置のオペレータによって入力されるユーザ定義波形に基づいてワークを振動させることが出来るようになっている。ユーザ定義波形は、あらかじめ他の計測装置にて計測されたデータを用いるかオペレータがＰＣ等でユーザ定義波形データを生成することによって得られる。このように、外部の機器にて計測または生成されたユーザ定義波形データは、ＦＤＤ５７０を介してメモリ５８０に読み取られる。或いは、アナログポート５９０に計測器（センサ及びセンサに付随する回路、アンプなど）を接続して振動試験を行い、計測器の出力であるアナログ信号をＡ／Ｄコンバータ５１１でサンプリングしてデジタルのユーザ定義波形データを得てこれをメモリ５８０に保存することも可能である。

このようなユーザ定義波形に基づいた振動試験は、例えばそのワークが実際に使用される状況においてかかりうる荷重変動や変位量を再現するために実施される。例えば、ワークが自動車の車体である場合は、自動車を走行させた時に車体に加わる加速度の変動を再現できるように、ユーザ定義波形に基づいた振動試験を行う。

ユーザ定義波形に基づいた振動試験を高い再現性にて行うためには、各アクチュエータ２００、３００、４００の送りねじ機構等の伝達系、ワーク自身の弾性による応答遅れ、及び伝達系やワークの摩擦や塑性変形等による減衰の影響を考慮したうえで、サーボアンプに送る設定角度（目標波形）を演算する必要がある。本実施形態においては、サーボアンプに入力される信号と、実際に振動を行った時のワークの変位量、速度又は加速度をスペクトル解析し、ワークに所望の作用を加えられるような入力信号を得るようになっている。以下、その具体的な手順を説明する。

図７は、本実施形態において、ワークに対して所望のユーザ定義波形に基づいた振動試験を行う際に、サーボコントローラ５２０に送る目標波形を演算する手順を示したフロー図である。以下、このフロー図に基づいて目標波形の演算手順について説明する。まず、振動試験装置１のオペレータは、前述の手段の何れかを用いて、ワークの変位量、速度或いは加速度の変動に対応したユーザ定義波形データを制御部５００に入力する（ステップＳ１）。

続いて、オペレータは操作手段５５０（図６）を操作して、ユーザ定義波形の物理量（波形が加速度、速度、変位のいずれを示すものであるのか）や、単位（Ｇ、ｍｍ／ｓ^２、ｍｍ／ｓ、ｍｍ等）といったパラメータを入力する。（ステップＳ２）。

次いで、オペレータは振動試験装置１のテーブル１００に目標波形演算のためのテスト用ワークを取り付ける（ステップＳ３）。

次いで、ステップＳ４が実行される。ステップＳ４では、主コントローラ５１０は入力された波形データの整形を行う。すなわち、各アクチュエータ２００、３００及び４００のサーボモータによって制御可能な駆動軸の角速度や角加速度には上限があるため、この上限を超えるような目標角度がサーボアンプに送られないよう、波形データの速度や加速度が所定の範囲内に納まるように波形データを修正する。また、本実施形態においては、高速離散フーリエ変換（ＦＦＴ）によって波形データのスペクトルを求めているが、正確にスペクトルを求めるため、移動平均を行ってＦＦＴの上限周波数を越える周波数をカットしている。この整形後の波形データをｍ（ｎ）とする。なお、ｎは離散化された波形データに含まれる値のそれぞれに対して、時刻順に定められた標本番号である。すなわち、標本数がＮである時、最初の標本に定められた標本番号は１であり、最後の標本に定められた標本番号はＮである。

次いで、主コントローラ５１０は、波形データｍ（ｎ）のスペクトルをＦＦＴによって演算する（ステップＳ５）。このスペクトルを初期スペクトルデータＭ（ｋ）とする。ここで、ｋは周波数順に定められたスペクトルデータの標本番号である。なお、本実施形態においては、フーリエ変換前の標本数とフーリエ変換後の標本数は同一である（言い換えれば、ｋの最大値はｎの最大値Ｎとなる）。さらに、各アクチュエータ２００、３００及び４００のサーボアンプに入力されるのは角度であるため、以下の数１によってＭ（ｋ）をサーボアンプ１２０に入力される角度（単位：ｒａｄ）のスペクトルＶ（ｋ）（本発明き特許請求の範囲における「第１のスペクトルデータ」に対応）に変換する。

上式において、Ｇは重力加速度をｍｍ／ｓ^２単位で示したものであり、その値は約９８０６．６５である。また、Ｔは周期（単位：ｓ）、すなわちｍ（ｎ）のユーザ定義波形を一回実行する際に要する時間である。従って、Ｆ_ｋはｋに対応する周波数（単位：Ｈｚ）を意味する。また、Ｌは各アクチュエータ２００、３００及び４００のボールねじのリードである。また、Ａ_ｋは標本番号ｋ毎に定められる補正係数である。この補正係数は、伝達系やワークの応答の遅延や、減衰に対応した値であり、テスト用ワークを振動させて得られる計測値に基づいて算出される。なお、この時のＡ_ｋの値（初期値）は、ｋの値に関わらず１とする。

次いで、主コントローラ５１０は、Ｖ（ｋ）を逆フーリエ変換し、角度の変動を示す変位波形データｖ（ｎ）を生成する（ステップＳ６）。次いで、主コントローラ５１０は、ｖ（ｎ）をＤ／Ａ変換して得られたアナログ変位波形をサーボコントローラ５２０に送る。サーボコントローラ５２０は、このアナログ変位波形に基づいて各アクチュエータ２００、３００及び４００のサーボモータを駆動し、テスト用ワークの加振をＹ周期（例えば３０回）実行する。主コントローラ５１０は、加振の周期ごとに、テスト用ワークの加速度の変動をテーブル１００に設けられた加速度センサから取得し、これをＡ／Ｄコンバータ５１１にて離散化して加速度の波形データを得る。ここで、波形データｍ（ｎ）が加速度波形であるならば、取得し離散化した加速度の波形データをそのままメモリ５８０に記録する。波形データｍ（ｎ）が速度波形、或いは変位波形である場合は、取得した加速度の波形データを時間積分して、速度又は変位の波形データ（元々の波形データｍ（ｎ）に対応するもの）を演算し、これをメモリ５８０に記録する（ステップＳ７）。上記の処理によって得られた波形データをｍ’_ｙ（ｎ）とする。なお、ｙは振動の周期ごとに定められた番号であり、１≦ｙ≦Ｙである。すなわち、このステップにて波形データはＹ組生成される。

次いで、主コントローラ５１０は、下記の数２に基づいてｍ’_ｙ（ｎ）の平均値ｍ’（ｎ）を演算する（ステップＳ８）。

次いで、主コントローラ５１０は、ステップＳ８で得られた波形ｍ’（ｎ）をフーリエ変換してスペクトルＭ’（ｋ）（本発明の特許請求の範囲における『第２のスペクトルデータ』に対応）を得る。（ステップＳ９）。

次いで、主コントローラ５１０は、全てのｋについて、初期スペクトルデータＭ（ｋ）とＭ’（ｋ）との比較を行う（ステップＳ１０）。全てのｋについて、Ｍ（ｋ）／Ｍ’（ｋ）の比が所定基準以内であれば、その時のＡ_ｋを補正係数とするスペクトルＶ（ｋ）を逆フーリエ変換して得られるユーザ定義波形ｖ_１（ｎ）をサーボアンプに入力すれば、ワークを加振した時のワークの波形（変位、速度又は加速度）はｍ（ｎ）に略一致する。すなわち、ｖ_１（ｎ）は、波形ｍ（ｎ）でテーブル１００を加振するための目標波形に相当するといえる。従って、このような時は（ステップＳ１０：ＹＥＳ）、目標波形を得るための処理を完了させる。なお、上記所定基準は、例えば０．９５〜１．０５である。より高い再現性をもってワーク振動させる場合は、所定基準を０．９９〜１．０１とすることが好ましい。

一方、ステップＳ１０において、Ｍ（ｋ）とＭ’（ｋ）との比が所定基準を満たさないものが１つでもあれば、補正する必要のあるＡ_ｋが残されていることを意味する。従って、このような場合は（ステップＳ１０：ＮＯ）、ステップＳ１１に進み、補正係数Ａ_ｋの修正を行う。

ステップＳ１１においては、主コントローラ５１０は、ステップＳ９で得られたスペクトルデータＭ’（ｋ）と、ステップＳ５で得られた初期スペクトルデータＭ（ｋ）とを比較し、下記の数３に基づいて補正係数Ａ_ｋの修正を行う。ただし、Ｍ（ｋ）とＭ’（ｋ）の比が所定基準以内のものについては、補正係数の修正を行わない。Ａ_ｋの補正が終わった後、ステップＳ６が実行され、Ｍ（ｋ）と補正されたＡ_ｋから数１にて算出されるＶ（ｋ）を逆フーリエ変換して得られたｖ（ｎ）にて再度テスト用ワークを振動させる。

以上の手順にて、全てのｋについてＭ（ｋ）とＭ’（ｋ）の比が所定基準以内となるまで、テスト用ワークの加振とＡ_ｋの修正を繰り返し、ユーザ定義波形ｍ（ｎ）を再現できる目標波形ｖ_１（ｎ）を得る。

以上の手順にて求められた目標波形ｖ_１（ｎ）を用いて、テスト用ワークと同型のワークの試験を行えば、所望のユーザ定義波形でワークを振動させることができるようになる。

本発明の実施の形態の振動試験装置の上面図である。 本発明の実施の形態の第１アクチュエータをＹ軸方向に投影し、一部を切り欠いた側面図である。 本発明の実施の形態の第１アクチュエータの一部を切り欠いた上面図である。 本発明の実施の形態のテーブル及び第３アクチュエータをＸ軸方向に投影し、一部を切り欠いた側面図である。 本発明の実施の形態のテーブル及び第３アクチュエータをＹ軸方向に投影し、一部を切り欠いた側面図である。 本発明の実施の形態の振動試験装置の制御部のブロック図である。 本発明の実施形態において、補正係数の修正を行うための手順を示したフロー図である。

符号の説明

１ 振動試験装置
２ 装置ベース
１００ テーブル
２００ 第１アクチュエータ
２１０ 駆動機構
２１２ サーボモータ
２１４ カップリング
２１６ 軸受部
２１８ ボールねじ
２１９ ボールナット
２３０ 連結機構
２３１ 中間ステージ
２３１ａ Ｙ軸ランナーブロック
２３１ｂ Ｚ軸ランナーブロック
２３２ ナットガイド
２３４ Ｙ軸レール
２３５ Ｚ軸レール
２５０ 位置検出手段
３００ 第２アクチュエータ
４００ 第３アクチュエータ
４１０ 駆動機構
４１２ サーボモータ
４１４ カップリング
４１６ 軸受部
４１８ ボールねじ
４１９ ボールナット
４３０ 連結機構
４３１ 中間ステージ
４３１ａ Ｘ軸ランナーブロック
４３１ｂ Ｙ軸ランナーブロック
４３２ 可動フレーム
４３４ Ｘ軸レール
４３５ Ｙ軸レール
５００ 制御部
５１０ 主コントローラ
５２０ サーボコントローラ
５５０ 操作手段
５７０ フレキシブルディスクドライブ
Ａ アジャスタ

Claims (8)

1. サーボモータによって往復駆動される可動部を備え、該可動部を駆動することによって該可動部に固定されたワークを振動させる振動試験装置であって、
   少なくとも一周期分の入力波形データを入力する波形データ入力手段と、
   前記入力波形データをスペクトルに変換する演算を行い初期スペクトルデータを生成する第１のスペクトル演算手段と、
   周波数ごとに定められた補正係数を前記初期スペクトルデータの各スペクトル成分に乗じて第１のスペクトルデータを生成するスペクトルデータ補正手段と、
   前記第１のスペクトルデータを逆変換して得られる試験用波形データに基づいて前記可動部を駆動してワークを振動させるワーク試験手段と、
   前記ワーク試験手段によって振動するワークの変位量の変動を示す出力波形データを取得する出力波形データ取得手段と、
   前記出力波形データに基づいて前記ワークの変位量の変動波形のスペクトルを演算して第２のスペクトルデータを得る第２のスペクトル演算手段と、
   前記初期スペクトルデータ及びテスト用ワークを振動させて得られた前記第２のスペクトルデータに基づいて前記補正係数の修正が必要か否かを判定する修正判定手段と、
   前記補正係数の修正が必要と判定されたときに、前記初期スペクトルデータ及び前記第２のスペクトルデータの対応する周波数のスペクトル成分に基づいて、該補正係数を修正する補正係数修正手段と、
   を備え、
   前記補正係数が修正されたときに、該修正された補正係数を用いて得られる前記試験用波形データに基づいてテスト用ワークの再試験を行い、
   前記補正係数の修正が不要と判定されたときに、該補正係数を用いて得られる前記試験用波形データに基づいてワークの試験を行う
   ことを特徴とする振動試験装置。
2. 前記修正判定手段は、前記初期スペクトルデータの各周波数のスペクトル成分を前記第２のスペクトルデータの対応する周波数のスペクトル成分で割った値が所定の範囲内に納まっているかどうかに基づいて、各周波数の補正係数の修正が必要であるかどうかを判定することを特徴とする請求項１に記載の振動試験装置。
3. 前記補正係数修正手段は、前記初期スペクトルデータの各周波数のスペクトル成分を前記第２のスペクトルデータの対応する周波数のスペクトル成分で割った値を、該対応する周波数の補正係数に乗じることによって、該補正係数の修正を行う、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の振動試験装置。
4. 前記所定の範囲が０．９５から１．０５の間である、ことを特徴とする請求項２、又は請求項２を引用する請求項３に記載の振動試験装置。
5. 前記所定の範囲が０．９９から１．０１の間である、ことを特徴とする請求項４に記載の振動試験装置。
6. 前記第１及び第２のスペクトル演算手段は、離散フーリエ変換によってスペクトルを演算する、ことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の振動試験装置。
7. 前記振動試験装置が送りねじ機構を介して前記可動部を直線往復駆動させるものであり、前記ワークの変位量は前記可動部の変位量である、ことを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の振動試験装置。
8. 前記第１及び第２のスペクトル演算手段は、前記入力波形データや前記出力波形データからスペクトルを演算する前に、波形データの高周波成分のカットを行う、ことを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の振動試験装置。

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