JP6419226B2 - 負荷補償を有する加振機 - Google Patents

Description

本発明は、試験片を動的に加振するための負荷補償を有する加振機であって、基台と、アクチュエータと、アクチュエータにより加振方向で基台に対して可動でありかつリニア案内手段により加振方向に対して平行に案内されるアーマチュアと、好ましくは加振する試験片を加えた少なくともアーマチュア（２）の重力を補償する空気圧駆動式の負荷補償手段（６）とを備えた加振機に関する。

しばしばシェイカーとも呼ばれる加振機は、振動試験機において、試験片の動的特性を調査するために使用される。加振機は材料調査の目的のために使用されることが重要であり、例えば部品あるいはアッセンブリ全体が試験片を形成する。この目的で、試験片は規定されたテスト信号でもって加振されかつ同時に試験片の位置および／または運動状態を適切な測定手段でもって特定する。この測定手段は、歪ゲージストリップの他に、振動センサあるいは位置を特定するためのあるいは運動状態を特定するための他のセンサも備えている。これらの確定された測定量から、他の帰納的推理の下で、例えば疲労挙動のような機械的挙動を推論することができる。

さらに加振機は、実際の測定手段、例えば振動センサを振動過程の調査に、特に例えばＩＳＯ１６０６３に規定されているような較正に適している。測定範囲、構造サイズ等に関する公知の振動センサの多様さは極めて大きい。１００万ｇまでの加速度のためのかなり小さくかつ軽い振動センサに加えて、１ｇは９．８１ｍ／ｓ^２の平均的な重力加速度に相当しており、例えば地震計に使用されるような大きくてかつ重い振動センサが知られている。

地震の地盤振動と他の地震波を検出するために地震計は使用される。この目的で地震計はバネに振動するように支承された質量体を備えており、この質量体の機械振動が測定される。生じる地盤振動の方向を特定するために、地震計は３つのこのような振動可能なバネ質量体システムでもって知られている。地震の過程において特徴的に生じるような機械振動は極めて小さい。最小の捕捉可能な加速度は、通常の平均的地球の重力ｇのわずか１兆分の１の範囲にある。その際に周波数範囲は時間当たり約５０Ｈｚからたった１回の振動まで達する。この目的に必要な地震質量は１０ｋｇあるいはもっと大きく、従って極めて大きい。

生じる極めて小さい機械振動により限定された状態で、このような大きな振動センサ、すなわち大きな地震質量を備えた振動センサを較正するために、極めて高い要求が、振動試験装置、特に加振機の機械式の境界条件に要求される。加振機により、高品質で正弦曲線の干渉の少ない加振信号が発生可能であるべきであり、この加振信号は、できる限り正確に保たれる振幅、わずかな（＜５％）歪率により、すなわち質量にとって所望ではない加振信号の歪ならびに連続した信号変化により際立っている。

水平方向の、すなわち水平な交互に起こる加振により振動センサを較正を行うために、摩擦を減らすために空気軸受を使用することが知られている。これにより、滑り軸受、ころ軸受あるいはバネ軸受を介した従来の支承部と比べて、運動の高い精密さと原動力が実現できる。空気軸受の根本理念は、支承すべき対象が言わば空気フィルム上で浮くことにあり、支承すべき対象は、極めてわずかな流体摩擦を除いて、空気フィルムの内部でかつ境をなすべき面に向かう空気フィルムの境界層内で摩擦無しで走行する。それに応じて空気軸受により対象の摩擦の少ない運動が可能になる。基本的に、リニア空気軸受も回転空気軸受も知られており、これらの空気軸受はそれらの側で再度静的軸受とも動的軸受とも区別されることができる。空気軸受の幾何学形状は多彩である。例えば円筒形の、長方形の或いは平坦な形状の或いは特殊な幾何学形状も知られている。

垂直な、すなわち垂直で交互に起こる加振により振動センサを較正する際に、加振に必要な力は、地球の重力場において振動センサの静的重力により重ねられる。それにより両方の加振方向のために、従って振動センサの力の同じ値を備えた振動センサの重力とは逆におよび振動センサの重力に対して同一に方向に向けられた状態で、重力を較正することが知られている。この目的で異なる方法が知られており、その際に、加振すべき試験片の重力に、例えば振動センサの重力とは逆に向きを合わせられた付加的静的力が及ぼされることが全ての方法に共通している。この負荷補償に必要な力は、電気力学的に、液圧式に、空気力学的にあるいはバネ力によりどれか一つにより作られることができる。

会社Ｕｎｔｅｒｎｅｈｍｅｎ Ｓｐｅｋｔｒａ Ｓｃｈｗｉｎｇｕｎｇｓｔｅｃｈｎｉｋ ｕｎｄ Ａｋｕｓｔｉｋ ＧｍｂＨから、加振機を備えた水平方向および垂直方向で加速センサを較正するための較正装置ＣＳ１８ＶＬＦが知られている。加振機はリニア駆動機構として構成されたアクチュエータをそなえており、このアクチュエータは質量を加振方向に動的に加振するために使用される。較正装置の可動な部分、アーマチュアとも呼ばれるリニアに可動なキャリッジは、この場合、リニアに構成された空気軸受を用いて構成装置の固定された部分、すなわち基台と接続されている。それに加えて、垂直な加振方向で振動センサを較正するために、較正装置は電気式のゼロ位置調整部を備えており、このゼロ位置調整部は、キャリッジと振動センサにより及ぼされる力を較正する。この目的で前述のリニア駆動部の駆動エネルギーの一部が使用され、従って実際の振動加振に利用できる十分な力は、重力に逆らって使用されることはできない。

さらに複数の負荷補償部が知られており、これらの負荷補償部において、加振すべき試験片の重力を較正するために機械式のバネ力が使用される。鋼のバネを使用する場合、剛性と可撓性の所定の限界は、共振の加振の可能性としても基本的に不利である。その上さらに、エラストマーバネを使用する際には、歪の少ない加振信号が較正される必要がある非リニア性が生じる。さらに挙げられたバネにより、例えば静的摩擦効果（スティックスリップ効果）で表すような存在する外側と内側の摩擦により加振信号が不連続になる。さらに、圧縮され、従って過圧を形成する媒体を有する複数の負荷補償部が知られている。

一方において、負荷補償のために、例えば乗物全体の振動挙動を調査するのに使用されるような液圧シリンダが知られている。圧縮される媒体は、現在の場合の液圧作動液においては、この場合、閉鎖されたシステム内に保たれ、若干の部材、現在の場合液圧シリンダのピストンロッドは、システムの境界を越えて突出している。これに対応して、封隙、例えば軸封隙リングが設けられている必要がある。これらの封隙部は一方では不利な磨耗を備えており、その上さらに生じる摩擦により、発生すべき加振信号が不連続になる。

さらにゴム製の内袋内の圧縮された空気を負荷補償部として使用することが知られている。従ってＴｉｒａ ＧｍｂＨは、負荷補償のためにこのように充填されたゴム製の内袋を使用する振動検査装置を提供する。その際にゴム製の内袋は、運動すべく部材の重力を補正するために、アーマチュアの運動すべき部材の中に配置されている。ゴム製の内袋と振動検査装置の隣接している部品の間には摩擦力が生じ、この摩擦力により再度作られるべき加振信号は不連続になる。

従って負荷補償の公知の実現性すべての短所は、生じる摩擦と他の非リニア性により、付加的な干渉信号が発生されることにあり、これらの干渉信号は、振動センサ、特に大きな質量の振動センサ、すなわち１０ｋｇあるいはそれ以上の範囲の振動センサために必要であるような純粋に正弦波形の信号形状の発生を妨げる。

ＩＳＯ１６０６３

従って本発明の課題は、試験片の動的加振対する負荷補償を有する加振機を提示することにあり、高品質で正弦曲線の干渉信号の少ない加振信号を発生させるために、加振信号は負荷補償の際に生じる摩擦と他の非線形性は最小限にされ、同様に振動経路も加振に必要な力も、重力の負荷補償とは独立して及び重力の負荷補償により制限されずに、両加振方向で、すなわち重力とは反対に向けられて及び重力と同じ方向に向けられて利用可能である。

課題を解決するために、冒頭で挙げた様式の負荷補償を有する加振機において、リニア案内手段が空気軸受を備えていること及び負荷補償手段がリニア案内手段を同時に含んでいることが考慮されている。

負荷補償を有するこの本発明による摩擦の少ない加振機により、極めて高品質の正弦曲線の干渉信号の少ない加振信号を発生させることが可能であり、それにより例えば垂直方向で激しい振動センサを較正する際に、較正の高い精度が達せられる。

さらにアクチュエータの駆動エネルギーが負荷補償のためにはたまたま使用されないのは有利である。アクチュエータの駆動エネルギーは、むしろ加振方向で加振力の実質的に対称な印加に使用されることができる。これは対象の正弦曲線の加振には特に有利である。振幅と加振幅の相関関係により、すなわち加振力の同じ幅が、重力の方向とは関係なく、振動の大きさの加振の同じ幅に必要とされることにより、特に高品質の正弦曲線の加振信号が発生させられることができ、それにより再度較正の精度は高くなる。

負荷補償を有する本発明による摩擦の少ない加振機の別の長所は、この加振機が極めてコンパクトに構成されていることにある。これには負荷補償手段のリニア案内手段が同時に含まれていることが重要である。言い換えれば、負荷補償手段が一連の個別部品から成るアッセンブリにより形成されていると、リニア案内手段は同じ一連の個別部品から形成されている。言い方を違えると、負荷補償手段とリニア案内手段は言及されたアッセンブリの特定の個別部品を共有する。

有利な他の変更と形態は従属請求項の対象に提示されている。

従って第一の実施形態において、負荷補償手段は空気圧駆動式のシリンダを備えており、そのピストンロッドおよび／またはピストンは各々空気軸受によりリニアに案内されていることが提案されている。この際に、リニア案内手段と負荷補償手段は、ピストンロッドおよび／またはピストンを先に言及されたアッセンブリの共通の部品として共有する。空気圧駆動式のシリンダのケーシングが基台および可動なピストンと接続されており或いはピストンロッドが可動なアーマチュアと接続されており、ピストンおよび／またはピストンロッドが各々空気軸受により案内されていると、アーマチュア、場合によってはこのアーマチュアに配置される物体の重力の補償は少ない摩擦で行われることができる。従ってアクチュエータによるアーマチュアの加振中のリニアではない摩擦に関連した効果は最小にされることができる。

本発明による他の形態において、負荷補償手段は、１より多くの空気圧駆動式のシリンダを備えており、空気圧駆動式のシリンダのピストンロッドおよび／またはピストンは各々空気軸受によりリニアに案内されていることが考慮されていてもよい。複数の空気圧駆動式のシリンダｎを配置することにより、これらは特定の重力を補償するために、この目的で個々の大きな採寸された空気圧駆動式のシリンダが設けられた場合に比べて小さく採寸されることができる。従って本発明による加振機はこの形態により特にコンパクトに構成されている。

負荷補償手段が、１より多くの空気圧駆動式のシリンダを備えていると、さらに１より多くの空気圧駆動式のシリンダが互いに対して各々同じ中心角α＝３６０°／ｎでもって円形にアクチュエータの周囲に配置されていることが考慮されていてもよい。中心角は弧心角と呼ばれることもある。例えばもたらされるモーメントのような干渉を最小にするために、この配置により、重力の特に対称な補償が達せられる。ｎ＝３を選定することが特に有利であることがわかった。従って中心角は各々α＝１２０°を形成する。

この場合、本発明の概念は、例えば正方形あるいは長方形のような他のパターンの空気圧駆動式のシリンダの配設を含んでおり、このような形態のアクチュエータは、例えば正方形あるいは長方形のパターンの対角線の交点に配置されている。さらに空気圧駆動式のシリンダは環状のピストン面を備えていることが考慮されていてもよい。このような場合、空気圧駆動式のシリンダはアクチュエータを取囲んでいるので、アクチュエータは空気圧駆動式のシリンダに対して中心に配置されていてもよい。その際に加振方向に置いて、アクチュエータも空気圧駆動式のシリンダもアーマチュアと相互作用することができる。

アクチュエータが少なくとも一つのリニア駆動機構を備えている場合は得策である。このリニア駆動機構は、電気力学的作動原理を備えたリニアモータとして或いは圧電の、電磁の、磁歪の、熱電の、空気力学的なあるいは液圧の作動原理を備えたリニアアクチュエータのどちらかとして構成されていてもよい。これらが摩擦が少なく構成されていてもよいのはここでは有利であり、従ってこのため同様に干渉は非リニア性により最小化される。

他の形態に置いて、アーマチュアは復元手段を介して基台と接続されていてもよく、復元手段の力の作用は、負荷補償手段の力の作用とは逆に向けられている。

加振機の故障あるいは酷使の際の損傷を阻止するために、アーマチュア経路制限手段が設けられている。その際に、例えば機械式のストッパにより形成されたアーマチュア経路制限手段は、加振方向でのアーマチュアの最大限可能な経路を制限する。

さらに大きさ、アーマチュアの‘位置決め’および‘運動状態’の少なくとも一つの量を検出するために、時として異なる作動原理の、アーマチュアの一つあるいは複数の位置決めおよび／または運動状態を検出する測定手段が設けられておりかつ加振機に割当てられていてもよい。特にこの目的で同様に非接触の、例えばレーザー振動計のような測定手段が設けられていると有利である。その理由は、これにより加振機上への測定手段の遡及効果が無くなることにあり、それにより再度干渉は最小化される。従って測定手段としてのレーザー振動計を用いて、加速度、速度および距離が、速度信号の対応する微分あるいは積分により同時に確定されることができる。

以下に本発明は図に示された好ましい実施例に基づきさらに説明されかつ記載される。

負荷補償部を備えた、本発明による加振機の概略側面図を示す。 空気圧シリンダによる負荷補償を有する、本発明による加振機の好ましい実施形態の概略平面図を示す。

図１の負荷補償を有する本発明による加振機の極めて簡略化され、概略的でかつ縮尺の無い側面図は、根本的な本発明の思想を示すために使用される。第一の線で、本発明による加振機の個々の基本的構成要素の基礎的な構成と相互作用が示される。

図１に示された、負荷補償部を備えた低摩擦の加振機は、図示されていない構造体に強固に配置されている基台１とこの基台１に対して加振方向４に移動可能なアーマチュア２を備えている。本発明による加振機は、試験片の低摩擦の動的な垂直方向の加振適しているのが極めて有利である。それに応じて、加振方向４は地球の重力場に対して平行である。アーマチュア２は調査すべきあるいは較正すべき試験片１５を収容するのに適している。従って本発明による加振機は、振動センサだけに限定されていない。むしろ、例えば寿命試験のような別の試験も、加振機により実施されることができる。

試験片１５を動的に加振するために、基台１はアクチュエータ３を用いてアーマチュア２に機能的に接続されている。この目的で好ましい実施形態においてリニア駆動機構１１が設けられている。これは例えばプランジャコイルを備えた電気力学的駆動機構により構成されていてもよい。その際に、アクチュエータ３は、アーマチュア２が試験片１５と一緒に加振方向で地球の重力場と共にも逆らっても動くことができるように構成されている。それに加えてアクチュエータ３は、アーマチュア２と試験片１５を、例えば調和正弦波加振、疑似ランダム加振（ｅｉｎｅｒ ｓｔｏｃｈａｓｔｉｓｃｈｅｎ Ｒａｕｓｃｈａｎｒｅｇｕｎｇ）、衝撃加振（ｅｉｎｅｒ ｓｐｒｕｎｇａｒｔｉｇｅｎ Ｓｃｈｏｃｋａｎｒｅｇｕｎｇ）のような任意の運動形態で加振するのに適している。時間に依存した加振方向４におけるアーマチュア２の位置は、加振信号と呼ばれるべきである。

アーマチュア２の重力７を補償するために及び同様にアーマチュアの重力７のアーマチュア２に配置された試験片１５の場合に、空気圧駆動式の負荷補償手段６が設けられている。
好ましい実施形態において、負荷補償手段６は空気圧駆動式のシリンダ９として構成されている。空気圧駆動式のシリンダ９のケーシングは基台１に不動に配置されている。

これにより移動すべき質量と補償すべき重力７は軽減される。さらに空気圧駆動式のシリンダ９のピストンロッド９２はアーマチュア２と機能的に接続されており、従って空気圧駆動式のシリンダ９のピストン９１からの補償力１２は、重力７を補償するためにアーマチュア２に伝達可能である。補償力１２は圧縮空気１０の圧力により制御可能である。対応する圧縮空気発生手段と制御手段は簡略化のため示されていない。負荷補償手段６により、地球の重力場に反した加振方向４においてアクチュエータ３を用いてアーマチュア２と試験片１５を加振するために加振力の同じ大きさが必要である。さらにこれにより最大の変位の同じ大きさが、従って加振方向４におけるアーマチュア２の最大の振動経路が達せられる。最大の振動経路は実施形態においては図示されていないアーマチュア移動制限手段により制限されていてもよく、これにより加振機は破壊から保護されている。

加振方向４に対してアーマチュア２を平行に案内するために、加振機はリニア案内手段５を備えている。

本発明によれば、リニア案内手段５はこの目的で空気軸受８を備えていることが考慮されており、これにより高い値の正弦曲線の干渉の少ない加振信号が生成可能である。干渉の少ない加振信号は、発生すべき振幅ができるだけ正確に保たれ、歪率が極めて低く（＜５％）、不連続の無い信号系となる。特に空気軸受８を使用することにより、先にすでに挙げたスティックスリップ効果が防止されることができ、それにより同様にアーマチュア２の振幅は良好に保たれることができる。

さらに、負荷補償手段６がリニア案内手段５を同時に備えており、それにより負荷補償された加振機の特にコンパクトなデザインが可能であることが考慮されている。それゆえ好ましい実施形態において、空気圧駆動式のシリンダ９をピストンロッド９２を支承するめの空気軸受８を利用することが考慮されている。更なる実施形態において、同様に別の空気軸受８を用いた空気圧駆動式のシリンダ９のピストン９１が、空気圧駆動式のシリンダ９のシリンダ内で支承されていることが考慮されていてもよい。空気軸受８への圧縮空気１０の供給は詳しくは図示されていない対応する制御手段を備えた圧縮空気発生手段により行われる。その際に、空気圧駆動式のシリンダ９と空気軸受８の圧縮空気発生手段は同じであり、対応するように図示されていない弁により、空気圧駆動式のシリンダ９と空気軸受８への異なる圧力によっても可能である。空気軸受８を供給するための圧縮空気１０の一部は、補償力１２に抗して働く。

加振信号を捕捉するために、すなわちアーマチュア２の位置と運動状態の値の一つを捕捉するために、実施形態では測定手段１３が設けられている。測定手段１３は特に有利な実施形態ではレーザー振動計１４として構成されている。さらに測定手段１３は、しかしながら他に例えば加速度センサ、速度センサ（電気力学的原理）、距離センサ（誘導式、静電容量式、磁歪式、レーザー三角測量式、干渉式、画像式）あるいは他のやり方として構成されていてもよい。さらに測定手段１３は異なる動作原理の複数の測定手段から成っていてもよい。レーザー振動計１４を用いて、加振信号は非接触でかつそれによりフィードバック無しで加振機上で捕捉されることができる。この目的で、測定手段１３は図示されていない評価装置と接続位されている。試験片が加速度センサにより形成されると、その測定信号は同様に図示されていない評価装置内で処理されることができる。

図１は単に各々一つのアクチュエータ３、一つのリニア案内手段５および一つの負荷補償手段６を示しているだけであるが、しかし複数の実施形態も可能であり、これらの実施形態の場合、各々一つより多くのアクチュエータ３、一つのリニア案内手段５および一つの負荷補償手段６が設けられている。

図２は本発明による負荷が補償される加振機の好ましい実施形態の概略平面図を示しており、図２には加振機は全て図示されておらず、アクチュエータ３、リニア案内要素５および負荷補償手段に関する主要較正要素の選び出された物だけを明確にしているにすぎない。

図２には基台１が示されており、図２には加振機は全て図示されておらず、各々リニア案内要素５とアクチュエータ３を備えた三つの負荷補償手段６が基台１上に配置されている。負荷補償手段６としては、各々空気圧駆動式のシリンダ９が設けられており、リニア案内要素５としては、各々空気軸受８が設けられている。空気圧駆動式のシリンダ９を円形にアクチュエータ３の周囲に配置することが特に有利であることが判明した。中心角αは各々１２０°でもって全て同じ大きさである。アクチュエータ３に対する空気圧駆動式のシリンダ９の半径方向の間隔は、加振機のコンパクトな構造方式が達せられるように選定されている。

先にすでに挙げられているように、基本的にアクチュエータ３、リニア案内要素５および負荷補償手段６の他の配設も互いに可能である。

１ 基台
２ アーマチュア
３ アクチュエータ
４ 加振方向
５ リニア案内手段
６ 空気圧駆動式の負荷補償手段
７ 重力
８ 空気軸受
９ 空気圧駆動式のシリンダ
９１ ピストン
９２ ピストンロッド
１０ 圧縮空気
１１ リニア駆動機構
１２ 補償力
１３ 測定手段
１４ レーザー振動計
１５ 試験片
α 中心角

Claims (6)

1. 試験片を動的に加振するための負荷補償を有する加振機であって、
   −基台（１）と、
   −アクチュエータ（３）と、
   −アクチュエータ（３）により加振方向（４）で基台（１）に対して可動でありかつリニア案内手段（５）により加振方向に対して平行に案内されるアーマチュア（２）と、
   −少なくともアーマチュア（２）の重力を補償する空気圧駆動式の負荷補償手段（６）とを備えた加振機において、
   リニア案内手段（５）が空気軸受（８）を備えていること及び負荷補償手段（６）がリニア案内手段（５）を共に含んでおり、
   負荷補償手段（６）が、１より多くの空気圧駆動式のシリンダ（９）を備えており、空気圧駆動式のシリンダのピストンロッド（９２）および／またはピストン（９１）が各々空気軸受（８）によりリニアに案内されており、
   １より多くの空気圧駆動式のシリンダ（９）が互いに対して各々同じ中心角α＝３６０°／ｎでもって円形にアクチュエータ（３）の周囲に配置されていることを特徴とする加振機。
2. アクチュエータ（３）が少なくとも一つのリニア駆動機構（１１）を備えていることを特徴とする請求項１に記載の加振機。
3. リニア駆動機構（１１）が、電気力学的作動原理によるリニアモータとして或いは圧電の、電磁の、磁歪の、熱電の、空気圧駆動式のあるいは液圧の作動原理によるリニアアクチュエータのどちらかとして構成されていことを特徴とする請求項２に記載の加振機。
4. アーマチュア（２）が復元手段を介して基台（１）と接続されており、復元手段の力の作用が、負荷補償手段（６）の力の作用とは逆に向けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の加振機。
5. アーマチュア移動制限手段が設けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の加振機。
6. アーマチュア（２）の位置決めおよび／または運動状態を検出する測定手段（１３）配置されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の加振機。

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