JPWO2016039020A1 - 振動モード測定装置 - Google Patents

Abstract

１つ以上のモータで構成された機械の機械構造の振動モードを測定する振動モード測定装置において、モータの加振指令を生成する加振指令生成部と、加振指令に基づきモータの電流指令を生成し、モータ加振力の換算値を振動モード計算部に出力する制御部と、制御部からモータ電流指令を受け取り、モータを駆動するモータ駆動部と、機械構造の振動を検出する振動センサと、振動センサの貼付点の情報を入力する測定点情報入力部と、モータ加振力の換算値と振動センサの出力を用いて振動モードを計算する振動モード計算部とを出力する振動モード出力部を有することを特徴とする振動モード測定装置を提供する。

Description

本発明は、モータを有する機械の振動モードを測定する振動モード測定装置に関する。

従来から、複数のセンサ入力を持つ振動測定手段と、伝達関数を演算する手段と、振動モードを可視化し出力する手段とを備えた振動モード測定装置が知られている（例えば特許文献１）。

また、従来から、機械に取り付けられた電動機と、前記電動機または前記機械からなる被検出体の動作量を検出する検出手段と、指令信号を発生する指令器と、指令信号を受けて前記電動機を駆動する制御装置とからなる電動機制御部において、制御装置の特性を含まない開ループ周波数応答特性を計測する開ループ周波数応答特性計測手段と、電動機制御部の制御装置の制御装置モデルと、計測した開ループ周波数応答特性と制御装置モデルから一巡開ループ周波数応答特性を算出する演算手段と、前記制御装置の制御パラメータと前記一巡開ループ周波数応答特性の変化の関係を感度解析する感度解析装置とを備えた電動機制御部の制御パラメータ感度解析装置が知られている（例えば特許文献２）。

特開平３−２１８４２１号公報 特開２００６−２２７７９３号公報

しかしながら、上記特許文献１で開示された方式では、加振装置にインパルスハンマまたは加振器を用意する必要があった。インパルスハンマを使用する場合では、作業者が打撃を行う必要があり、また、加振器を用いる場合には、小型の機械の場合は加振器を設置する場所を確保できず、逆に大型の機械で十分な加振力を与えることができなかった。すなわち、特許文献１の技術では、作業者の負担、機械サイズによる制約という課題があった。

一方、特許文献２は、振動モードを測定する装置ではないが、モータを用いて機械を加振し、加振力から機械構造に取り付けたセンサまでの伝達関数を算出することが可能な装置を提供しており、作業者の負担、機械サイズによる制約の課題は解決できると思われる。

しかしながら、特許文献２の技術を振動モード測定に適用するためには、測定点の情報、センサの方向に関して１つ１つの条件毎に作業者がデータ処理を行う必要があると共に、センサの感度方向と軸の方向が逆の場合は伝達関数の計算をやり直したり、位相のデータに修正したりする必要があった。すなわち、特許文献２の技術では、効率よく高精度に信頼性の高い振動モードを測定することが困難であった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、１つ以上のモータを有する機械において、効率よく高精度に信頼性の高い振動モードを測定する振動モード測定装置を得ることを目的とする。

本願発明は、上記問題を解消し、目的を達成するために、本発明にかかる振動モード測定装置は、１つ以上の駆動装置の動きにより振動を生じる装置の前記装置の任意な振動を決定する決定部と、前記１つ以上の駆動装置それぞれを制御して、前記装置に前記決定された振動きをさせる制御部と、前記決定された振動をしている前記装置の測定の対象となる１つ以上の部位それぞれの振動を測定する測定部と、前記検出された振動に基づいて、少なくとも前記測定の対象となる１つ以上の部位それぞれの振動の態様を計算する計算部とを有する。

本発明によれば、１つ以上のモータを有する機械において、効率よく高精度に信頼性の高い振動モードを測定することができる、という効果を奏する。

実施の形態１に係る振動モード測定装置の概略構成を示すブロック図 制御部の詳細を示すブロック図 速度制御部の詳細を示すブロック図 図１の機械構造の概略構成を示す概略図 図１〜図４に示した実施の形態１における測定系により伝達関数の計算と振動モード同定の処理を示すフローチャート 振動モード計算部の詳細を示すブロック図 実施の形態２における振動モード測定装置の概要を示すブロック図 実施の形態２において振動モード測定装置が適用される３軸の工作機械の概略構成を示す斜視図 実施の形態２における制御部の構成の概略を示すブロック図 機械情報送信部の詳細を示すブロック図 実施の形態３における振動モード測定装置の制御部の概要を示すブロック図 実施の形態４における振動モード測定装置の概略を示すブロック図 実施の形態６における振動モード測定装置の制御部の概要を示すブロック図 実施の形態７における加振指令生成部の構成を示すブロック図 実施の形態８に係る振動モード測定装置の概略構成を示すブロック図 実施の形態９に係る振動モード測定装置の概略構成を示すブロック図

実施の形態１．
以下に、本発明の実施の形態にかかる振動モード測定装置を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施の形態により本発明が限定されるものではない。

図１は、本発明の実施の形態１に係る振動モード測定装置２００の概略構成を示すブロック図である。振動モード測定装置２００は、機械構造１６の振動モードを測定する装置であり、モータ１に駆動力ｆを発生させて機械構造１６の加振を行うモータ駆動装置１９、モータ１への加振指令Ｃｍｄを生成する加振指令生成部１１、加振指令Ｃｍｄに基づいて生成される電流指令Ｉｍとモータ回転角Ｓｄとを用いてモータ１を制御し、モータ１の加振力換算値ｆｎを出力する制御部１２、ｉ番目の測定点の座標Ｘｉとセンサの向きを表すセンサ方向Ｄｄｉを設定する測定点情報入力部１８、機械構造１６の測定点に付されて加振によって機械構造１６に生じる振動を検出するための振動センサの一例である加速度センサ１３の出力である加速度ａとモータ１の加振力換算値ｆｎおよび、測定点の座標Ｘｉとセンサ方向Ｄｄｉとを用いて振動モードを計算する振動モード計算部１４を備えて構成される。なお、図示のように、同定した振動モードをアニメーションとして出力する振動モード出力部１５を設けるようにしてもよい。

また、図１の構成において、加振指令生成部１１が生成する加振指令の一例には、擬似ランダム信号、サインスイープ信号などがある。これら擬似ランダム信号およびサインスイープ信号は、速度指令としても位置づけられる。よって、実施の形態１では、「加振指令Ｃｍｄ」を「加振用速度指令Ｃｍｄ」として説明する。

図２は、制御部１２の詳細を示すブロック図である。制御部１２では加振用速度指令Ｃｍｄとエンコーダ３により検出されたモータ１の回転角度を位置に変換した検出位置Ｓｄとの誤差ができる限り小さくなるようにモータ１に流す電流（以下「モータ電流」と称する）を制御するための電流指令Ｉｍを生成して出力する。電流値取得部１２３は、電流指令Ｉｍからモータ１の加振力換算値ｆｎを計算し、出力する。なお、図２において、電流値取得部１２３は電流指令Ｉｍを用いて加振力換算値ｆｎを計算しているが、モータ１に実際に流れるモータ電流のフィードバック値を使用して加振力換算値ｆｎを計算してもよい。ここで、モータ１の駆動力ｆは、モータ１のトルク定数Ｋｔを用いて、たとえば、次の数式１で求められる。

位置制御部１２１は、Ｐ制御器で構成されることが多い。振動モード測定装置２００は、加振実行時に、位置制御部１２１のゲインを小さくする。設定する値は、測定する周波数レンジの下限の値を設定する場合または、初めに設定されていた位置制御部１２１のゲインの５分の１〜１０分の１の決まった値を設定する方式のうちのいずれを用いてもよい。この理由は、一般に送りねじで構成された駆動機構は、速度の制御の応答帯域が数百Ｈｚに対して、位置の制御の応答帯域が数Ｈｚから数十Ｈｚしかないため、広い帯域を加振するためには、位置制御では不十分であるからである。そこで、位置制御よりも広い帯域を持つ速度制御を利用する。

一般に、速度制御では位置制御に比べて３〜８倍の帯域を持つ。また、モータ駆動装置で行われる電流制御は、速度制御の５〜１０倍の帯域を持つ。速度制御を利用するためには、速度指令として加振信号を入力すればよい。しかし、位置制御が有効である場合、速度指令は位置制御部１２１に対して外乱として作用してしまうため、位置制御帯域以下の加振信号は抑制される。そこで、位置制御部１２１のゲインを小さくし、位置制御帯域が加振時の周波数レンジの下限より小さくする必要がある。一方で、位置制御部１２１のゲインを０にして、位置制御を完全に無効にしてしまうと、機械の位置が制御されなくなり、意図しない位置に移動する可能性もあるため、完全に無効にはしない。速度制御部１２２は、ＰＩ制御器で構成される事が多い。速度制御部１２２では、位置制御部１２１の出力である位置制御用速度指令Ｐｃｍｄ、加振指令生成部１２０から受け取った加振用速度指令Ｃｍｄ、エンコーダ出力であるモータ回転角Ｓｄを用いて速度制御を行う。

図３は、速度制御部１２２の詳細を示すブロック図である。微分部１２２ａは、エンコーダ出力であるモータ回転角Ｓｄを微分し、モータ１の速度を算出する。加算部１２２ｂは、加振用速度指令Ｃｍｄと位置制御用速度指令Ｐｃｍｄの和を計算する。また、減算部１２２ｃは、微分部１２２ａと加算部１２２ｂの差を出力する。ＰＩ制御部１２２ｄでは、減算部１２２ｃの出力に対して、ＰＩ制御を行い、電流指令Ｉｍを出力する。

図４は、図１の機械構造１６の概略構成を示す概略図である。制御部１２より出力された電流指令Ｉｍにより、モータ駆動装置１９は、モータ１に駆動力ｆを発生し、機械構造１６を加振する。このとき、モータ１の回転運動はカップリング８を介して送りねじ２に伝達され、ナット９を介して直進運動に変換される。送りねじ２の直進運動は、サポートベアリング１０により拘束されている。ナット９の直進運動によりワークテーブル４が直進運動する。このとき、ワークテーブル４上に設置された加速度センサ１３により加速度ａが測定され、振動モード測定装置２００内の振動モード計算部１４に対して出力される。一方、モータ１は、振動モード測定装置２００のモータ駆動装置１９から入力された電流指令Ｉｍに従って回転し、エンコーダ３により計測されたモータ１の回転速度および回転角は、モータ駆動装置１９を介して制御部１２に対して出力される。

測定点情報入力部１８では、作業者が加速度センサ１３を貼付したｉ番目の測定点の座標Ｘｉと、そのときのセンサの向きを表すセンサ方向Ｄｄｉを入力する。測定点の座標Ｘｉは、アニメーションを描画する際のセンサ貼付位置を表示する座標に使用する。また、センサ方向Ｄｄｉは、機械の構成上のｘ，ｙ，ｚ軸の向きと加速度センサ１３の座標軸の向きを必ずしも一致して取り付ける事ができない場合に、これらの対応関係を記録するために入力する。例えば、３軸加速度センサの１ｃｈ，２ｃｈ，３ｃｈがそれぞれ機械構成上のｙ軸正方向、ｘ軸正方向、ｚ軸負方向に取り付けられているとするとセンサ方向Ｄｄｉは、（＋ｙ，＋ｘ，−ｚ）となる。

振動モード計算部１４では、加振力換算値ｆｎと加速度ａとを用いて伝達関数の計算および振動モードの同定を行う。図５は、図１から図４に示した実施の形態１における測定系により伝達関数の計算と振動モード同定の処理を示すフローチャートである。

まず、作業者は、機械構造１６上の測定点に加速度センサ１３を貼付する。ステップＳ１１において、作業者は、測定点情報入力部１８に対する測定点情報として、測定点の座標Ｘ_ｉと、センサ方向Ｄｄ_ｉを入力する。ステップＳ１２において、作業者が、制御部１２から入力される加振力を示す情報ｆｎと、モータ１を擬似的にランダムに回転させるといった加振の態様を実現するための加振用速度指令Ｃｍｄ、モータ電流を示す情報Ｉｍを決定し、機械構造１６の振動の測定を開始する。測定が開始されると加振指令生成部１１より、制御パラメータ設定指令が制御部１２に対して出力される。なお、制御パラメータ設定指令も図１に示す加振指令Ｃｍｄの１つである。制御パラメータ設定指令が制御部１２に対して出力されると、位置制御部１２１のゲインが変更される。

ステップＳ１３において、加振力換算値ｆｎおよび電流指令Ｉｍといった制御パラメータの設定が完了したか否かが判断され、制御パラメータの設定が完了すると（ステップＳ１３，Ｙｅｓ）、ステップＳ１４の処理に進み、完了しなければ（ステップＳ１３，Ｎｏ）、ステップＳ１２，Ｓ１３の処理を繰り返す。

ステップＳ１４において、加振指令生成部１１から加振用速度指令Ｃｍｄが制御部１２に出力され、制御部１２がモータ駆動装置１９を制御してモータ１を回転駆動させ、機械構造１６に対する加振が開始される。ステップＳ１５において、加振中に、振動モード計算部１４において、加振力換算値ｆｎと加速度ａが同期して測定される。なお、加振力換算値ｆｎに代えて、加振中のモータ電流のモニタ値でもよい。ステップＳ１６において、加振が終了すると、加振指令生成部１１より、再度、制御パラメータ設定指令が出され、ステップＳ１２において書き換えられたゲインが元の値に戻される。

ステップＳ１７では、加振終了後に振動モード計算部１４において、測定したモータ電流モニタ値ｆｎと加速度ａから伝達関数が計算される。ステップＳ１８では、測定が終了したか否かが判断され、測定が終了した場合には（ステップＳ１８，Ｙｅｓ）、ステップＳ１９の処理に進み、測定が終了していない場合には（ステップＳ１８，Ｎｏ）、ステップＳ１１の処理に戻る。なお、ステップＳ１８の処理において、作業者が測定の選択をしたか否かを判断してもよく、測定の選択をした場合にはステップＳ１９の処理に進んで振動モードの計算を行う。

ステップＳ１９では、振動モード計算部１４によって振動モードの計算が行われる。ステップＳ２０では、振動モード出力部１５によって振動モードがアニメーション化して表示される。

図６は、振動モード計算部１４の詳細を示すブロック図である。振動モード計算部１４は、伝達関数計算部１４１、一時記憶領域１４２および振動モード同定部１４３を備える。また、振動モード計算部１４には、加振力ｆｎ、加速度ａおよび測定点の座標Ｘｉが入力される。

加振力ｆｎと加速度ａは、伝達関数計算部１４１にて同期してサンプリングされ、加振終了後に伝達関数の計算が行われる。時系列波形からの伝達関数の計算方法としては、多くの方式が提案されている。例えば、スペクトル解析法、ＡＲＸ同定、部分空間法などがある。本実施の形態における振動モード測定装置では、入力を加振力、出力を加速度としてスペクトル解析法の一つであるＨ１推定法を用いて伝達関数の計算方法を詳細に述べる。なお、伝達関数の計算アルゴリズムが、以下の説明に限定されるものではないことは言うまでもない。

加速度センサ１３が３軸加速度センサの場合は、３方向の加速度応答ａが３成分のベクトルとして得られるので、センサ方向Ｄｄｉに基づき、機械のｘ，ｙ，ｚ方向に対応するセンサの入力チャンネルの順番を入れ替える。加振力ｆ、加速度ａのフーリエスペクトルをそれぞれＦ（ｓ）,Ａ（ｓ）と置くと、入力のパワースペクトルＧｆｆは数式２で、入出力のクロススペクトルＧａｆは数式３のように表現される。ただし、＊は共役なスペクトルを表す。Ｈ１推定法を用いるとｉ番目の測定点における伝達関数Ｇｉ（ｓ）は数式４で表現される。Ｈ１推定を用いることで、出力信号である加速度ａの信号に存在するノイズを平均化により最小化することが可能となる。

計算された伝達関数の情報は、測定点情報入力部１８から入力された測定点の座標Ｘｉと関連付けられ、すべての測定点での伝達関数の測定が終了するまで、一時記憶領域１４２に保存される。すべての測定点での測定が終了したら伝達関数計算部１４１は、すべての伝達関数の情報を振動モード同定部１４３に出力される。

振動モード同定部１４３では、カーブフィットなどの方法により振動モードを規定するモードパラメータ（固有振動数、モード減衰比）を行う。同定方式は、モード円適合、偏分反復法など様々な方式がある。ここでは、制御的に振動を評価する際に使い勝手のよい、加振力に対して各点の時系列の応答振幅と位相データとして振動モードを導出する。伝達関数Ｇｉ（ｓ）の周波数特性を計算するためｊωを代入する。ただし、ｊは虚数単位、ωは周波数である（数式５）。このとき、ある周波数ωの成分における加振力ｆに対する振幅比Ｒ（ω）と位相差ｄ（ω）は数式６で表現される。ただし、“ａｂｓ”は、絶対値関数である。

このとき、周波数ωの時の加振力ｆの入力に対する各測定点ｉの基準座標Ｘｉからの変位量ｄＸｉは、線形システムを仮定すると、以下の数式７のように正弦波関数で記述できる。

上式において、ｔは時間であり、加速度センサ１３が３軸加速度センサの場合は、変位量ｄＸｉは、ｘ，ｙ，ｚの３方向の成分を含む。すべての測定点ｉにおける、変位量ｄＸｉを計算すると、加振力ｆに対してある周波数ωでの振動モードの形状を時間領域で記述することが可能となる。振動モード計算部１４では、算出した各測定点ｉの振動モードを表す情報として基準座標Ｘｉおよび変位量ｄＸｉを振動モード出力部１５に出力する。

振動モード出力部１５では、測定点座標Ｘｉと変位量ｄＸｉからアニメーションを描画する。まず、全ての測定点ｉに関して、測定点座標Ｘｉに基づいて機械のワイヤーフレームモデルを描画し、基準点とする。次に、注目する周波数ωにおいて、Δｔ秒後の基準点Ｘｉからの変位量ｄＸｉを算出する。Δｔ秒ごとに変位量ｄＸｉの値を計算し、測定点の座標を更新することで振動モードのアニメーションが描画される。

このように、本実施の形態に係る振動モード測定装置によれば、駆動軸のモータを用いて機械を加振し、当該加振力の換算値と、機械構造上の複数の点に設置した振動センサにおける１つ以上の貼付点の情報とを用いて振動モードを計算することとしたので、当該複数の点に設置した振動センサまでの周波数応答の測定が可能となり、加振力から各点の周波数応答から振動モードを計算し出力するまでの一連の作業を行うことが可能となる。また、加振時に制御パラメータ設定を変更することで広い帯域において機械構造を加振することが可能となる。

実施の形態２．
図７は、実施の形態２における振動モード測定装置の概要を示すブロック図である。実施の形態１との違いは、制御部１２より機械情報Ｄａｔを振動モード計算部１４に出力する点である。

また、図８は実施の形態２において振動モード測定装置が適用される３軸の工作機械の概略構成を示す斜視図である。図８において、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸方向に運動を案内された複数の可動軸を有し、各可動軸はモータ１ｘ，１ｙ，１ｚと送りねじ２ｘ，２ｙ，２ｚから成る駆動機構によって駆動される。モータ１ｘ，１ｙ，１ｚの回転角度はエンコーダ３ｘ３ｙ，３ｚによりそれぞれ検出され、モータ制御部にフィードバックされる。各軸の駆動機構の構成は、図１に示した振動モード測定装置の概略構成と同様とするが、モータ駆動方法として、モータ１ｘ，１ｙ，１ｚと送りねじ２ｘ，２ｙ，２ｚの代わりにリニアモータを用い、エンコーダ３ｘ，３ｙ，３ｚの代わりにリニアスケールを用いる場合もある。

この工作機械では、Ｙ軸の駆動機構によりワークテーブル４が駆動され、Ｘ軸の駆動機構によりコラム５が駆動される。コラム５に取付けられたＺ軸の駆動機構により、ラム６を介して主軸頭７が駆動され、結果として主軸頭７の先端に取付けられる工具と、ワークテーブル４上に設置される工作物との間に３次元形状が創成される。なお、ワークテーブル４およびコラム５は架台２１上に設置される。実施の形態２においては、駆動軸は３軸存在するため、加振指令生成部１１では、加振する軸の指定と加振軸の加振用速度指令Ｃｍｄｘ〜Ｃｍｄｚを出力する。

図９は、実施の形態２における制御部１２の構成の概略を示すブロック図である。実施の形態２における制御部１２では、図９に示すように、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸に対応して設けられた位置制御部１２１ｘ，１２１ｙ，１２１ｚおよび速度制御部１２２ｘ，１２２ｙ，１２２ｚが設けられている。位置制御部１２１ｘ，１２１ｙ，１２１ｚには、エンコーダ３ｘ，３ｙ，３ｚの出力であるワークテーブル位置Ｓｄｘ，ＳＤｙ，Ｓｄｚが入力される。速度制御部１２２ｘ，１２２ｙ，１２２ｚには、位置制御部１２１ｘ，１２１ｙ，１２１ｚの出力である位置制御用速度指令Ｐｃｍｄｘ，Ｐｃｍｄｙ，Ｐｃｍｄｚ、指令値分配部１２０によって分配された軸毎の加振用速度指令Ｃｍｄｘ，Ｃｍｄｙ，Ｃｍｄｚ、およびワークテーブル位置Ｓｄｘ，ＳＤｙ，Ｓｄｚがそれぞれ入力される。速度制御部１２２ｘは、位置制御用速度指令Ｐｃｍｄｘ、加振用速度指令Ｃｍｄｘおよびワークテーブル位置Ｓｄｘを使用して生成したＸ軸の電流指令ＩｍｘをＸ軸の駆動装置であるモータ駆動装置１９ｘに出力する。Ｙ軸およびＺ軸においても同様であり、速度制御部１２２ｙは、位置制御用速度指令Ｐｃｍｄｙ、加振用速度指令Ｃｍｄｙおよびワークテーブル位置Ｓｄｙを使用して生成したＹ軸の電流指令ＩｍｙをＹ軸の駆動装置であるモータ駆動装置１９ｙに出力し、速度制御部１２２ｚは、位置制御用速度指令Ｐｃｍｄｚ、加振用速度指令Ｃｍｄｚおよびワークテーブル位置Ｓｄｚを使用して生成したＺ軸の電流指令ＩｍｚをＺ軸の駆動装置であるモータ駆動装置１９ｚに出力する。また、制御部１２は、機械の状態量を取得し振動モード計算部１４に出力する、機械情報送信部１２４を有する。

図１０は、機械情報送信部１２４の詳細を示すブロック図である。また機械のワークテーブル位置Ｓｄｘ，ＳＤｙ，Ｓｄｚ、電流指令Ｉｍｘ〜Ｉｍｚ、図示されていない温度センサによって測定した気温情報Ｔｅｍｐ、図示されていない温度センサによって測定された機械の温度ＴｅｍｐＭを収集し、機械情報Ｄａｔを振動モード計算部１４に出力する。これは、複数軸を持つ工作機械においては、ワークテーブルの位置、そのときのモータ負荷、機械の温度、気温などによって振動モード変化することが知られており、これらの機械の状態情報と振動モードを関連付けて管理する必要があるからである。なお、電流指令Ｉｍｘ〜Ｉｍｚに代えて、モータ１に実際に流れるモータ電流（特に静止時の電流）のフィードバック値を機械情報Ｄａｔとしてもよい。

振動モード計算部１４においては、伝達関数を計算し、一時記憶領域１４２に保存する際、加振に用いた軸の情報と機械情報Ｄａｔと関連付けて保存する。これにより、機械情報Ｄａｔと振動モードの関係を作業者が容易に把握できるようになる。また、加振する軸により励起される振動モードの差異についても作業者が容易に把握できるようになる。また、加振する軸および機械位置などの情報と振動モードを関連付けて保持することで、機械構造の振動の特性への理解がより容易になるという効果がある。

実施の形態３．
図１１は、実施の形態３における振動モード測定装置の制御部１２の概要を示すブロック図である。実施の形態２との違いは、加振指令Ｃｍｄｘ，Ｃｍｄｙ，Ｃｍｄｚを速度指令ではなく、電流指令として駆動機構であるモータ駆動装置１９ｘ，１９ｙ，１９ｚにそれぞれ指令している点である。電流指令として加振指令を入力することで、速度指令として入力する場合より高周波領域までモータ１で加振する事が可能となる。

一方で、速度制御帯域以下の周波数の加振指令Ｃｍｄｘ，Ｃｍｄｙ，Ｃｍｄｚは抑制されてしまうため、速度制御部１２２のゲインを変更し、速度制御帯域が測定する周波数レンジの下限となるようにする。このため、加振指令Ｃｍｄｘ，Ｃｍｄｙ，Ｃｍｄｚは、速度制御部１２２のゲインを変更するための情報Ｐｄｘ，Ｐｄｙ，Ｐｄｚとして使用する。また、位置制御帯域が速度制御帯域よりも広いと制御系が不安定になるため、位置制御部１２１のゲインも、速度制御帯域より位置制御帯域が狭くなるように変更する必要がある。このとき設定するゲインの値は、測定する周波数レンジの下限になる位置制御部１２１と速度制御部１２２のゲインを設定する場合または、初めに設定されていたゲインの５分の１〜１０分の１の決まった値を入力する方式のうちの何れを用いてもよい。

実施の形態４．
また、本発明に係る振動モード測定装置においては、振動を検出するセンサに加速度センサ以外のセンサを使用してもよい。図１２は、実施の形態４における振動モード測定装置の概略を示すブロック図である。実施の形態１〜３との違いは、機械構造の加速度の検出に設置点と測定対象のとの間の相対速度Ｖを測定するレーザドップラ振動計１７を使用する点である。

加速度センサ１３は、絶対加速度を検出するため、例えば機械を設置した床の剛性が低く、機械の駆動に合わせて床も振動する場合、床振動が振動モードとして検出されてしまう。そのため、床振動の影響を除外する必要がある場合は、測定した伝達関数から床振動分の伝達関数を除外する操作を行う必要がある。これに対して、レーザドップラ振動計１７を用いる場合、設置床と測定点との間の相対速度Ｖが検出されるため、床振動の除外操作を実施する必要がない。

振動の検出にレーザドップラ振動計１７を使用した場合は、伝達関数計算部１４１で計算される伝達関数は、加振力から速度の伝達関数になるため、振動モード同定部１４３で振動モードを計算する際には、数式８で表記される式で振動モードを同定することができる。

実施の形態５．
実施の形態５は、図１２に示すレーザドップラ振動計１７の代わりに、直接変位を測定するレーザ変位計またはレーザ干渉計を使用する構成である。レーザ変位計またはレーザ干渉計を使用した場合、加振力に対して直接機械構造の変位が測定できる。ここで、レーザ変位計またはレーザ干渉計を使用した場合の振動モードは、例えば数式９のように算出される。変位を直接測定することで、対象物の位置および軌跡の誤差を直接評価できるという効果がある。

実施の形態６．
図１３は、実施の形態６における振動モード測定装置の制御部１２の概要を示すブロック図である。工作機械の駆動機構には、ワークテーブル４の位置を微調整するための微動機構が搭載されていることがある。一般的な微動機構に用いられるアクチュエータとして、例えば圧電アクチュエータ、ボイスコイルモータがある。

このような微動に使用されるアクチュエータは、高精度で高応答なことが特長である。そのため、加振指令として速度指令、電流指令を指令しなくても位置制御帯域で数百Ｈｚの応答性を実現できる。そのため、加振指令を直接位置指令として制御部１２に指令することが可能となり、これにより、加振時に制御パラメータを使用する必要がなくなるという効果がある。

実施の形態７．
図１４は、実施の形態７における加振指令生成部１１の構成を示すブロック図である。実施の形態７においては、作業者が加振する軸、測定する周波数帯域の上限値、下限値、加振信号の種類を加振条件入力部１１０に入力する。加振方式決定部１１１では、入力された周波数帯域の上限値を元に加振指令を位置指令に入力するか、速度指令に入力するか、電流指令に入力するかを決定する。このとき、測定する周波数帯域の上限値が、位置制御帯域未満であれば位置指令を、位置制御帯域以上速度制御帯域未満であれば速度指令を、速度制御帯域以上であれば電流指令を選択する。

加振信号生成部１１３では、加振指令のタイプと加振の種類に基づき加振指令Ｃｍｄを生成する。例えば、加振指令のタイプが速度指令で、加振信号の種類が擬似ランダム信号であれば、速度指令として擬似ランダム指令を加振指令Ｃｍｄとして出力する。また、加振指令のタイプが電流指令で、加振信号の種類がサインスイープ信号であれば、電流指令としてサインスイープ指令を加振指令Ｃｍｄとして出力する。制御パラメータ計算部１１２では、加振指令のタイプと測定する周波数帯域の下限値によって制御パラメータのゲインを決定する。

実施の形態８．
当業者は、本願発明にかかる振動モード測定装置２００が、加速度センサ１３およびモータ駆動装置１９などを有するコンピュータ上で実行されるソフトウェアとして実現され得ること、および、振動モード測定装置２００が、上記コンピュータのハードウェア資源を具体的に用いて実行され得ることを、自明なこととして理解するであろう。また、当業者は、振動モード測定装置２００は、記憶媒体に記憶された形態あるいはネットワークを介して上記コンピュータに供給され、そのＲＡＭなどにロードされて、上記ハードウェア資源を具体的に利用することにより実行され得ることもまた、自明なこととして理解するであろう。

図１５は、実施の形態８に係る振動モード測定装置２００の概略構成を示すブロック図である。実施の形態１との差異は、振動モード測定装置２００の構成要素に加速度センサが含まれない点と、センサの信号を入力するセンサ信号入力インターフェース（以下「センサ信号入力ＩＦ」と表記）３０を有する点である。

実施の形態８においては、外部に設置した振動センサの一例である加速度センサ１３の信号を取り込むためのセンサ信号入力ＩＦ３０を有する。センサ信号入力ＩＦ３０としては、例えば、信号取り込みＡＤ変換器として実装される。センサ信号入力ＩＦ３０は、センサ１３の信号を取り込み、デジタル信号に変換して振動モード計算部１４に出力する。振動センサ１３は、測定方式、サイズ価格により様々な組み合わせが考えられる。そこで、共通の信号入力インターフェースであるセンサ信号入力ＩＦ３０を有することにより、振動モード測定装置２００において、任意の振動センサを測定に使用することが可能となる。

実施の形態９．
図１６は、実施の形態９に係る振動モード測定装置２００の概略構成を示すブロック図である。実施の形態８との差異は、制御部１２より機械情報Ｄａｔを振動モード計算部に出力する点である。実施の形態９においても、実施の形態８と同様にセンサ信号入力ＩＦ３０は、センサ１３の信号を取り込み、デジタル信号に変換して振動モード計算部１４に出力する。

振動モード計算部１４においては、伝達関数を計算し、一時記憶領域１４２に保存する際、加振に用いた軸の情報と機械情報Ｄａｔと関連付けて保存する。これにより、機械情報Ｄａｔと振動モードの関係を実験者が容易に把握できるようになる。また、加振する軸により励起される振動モードの差異についても実験者が容易に把握できるようになる。また、加振する軸および機械位置などの情報と振動モードを関連付けて保持することで、機械構造の振動の特性への理解がより容易になるという効果がある。

振動モード測定装置２００によれば、測定対象自身のモータ１を用いて装置に振動を与えて測定を行うことができるので、例えば、インパルスハンマを用いた実験モード解析のように、測定対象の装置に振動を与える機器を必要としない。一方、インパルスハンマを用いた実験モード解析においては、測定点の全てについてインパルスハンマを用いた打撃を装置に繰り返し与えなければならず、例えば、測定点が多い場合には、加速度センサの位置を変えながら産業機械に何度も振動を加える（加振する）必要がり、あるいは、大型の産業機械を試験する場合には、充分な振動を加える力（加振力）を得るために、大きなインパクトハンマを使用する必要があるので、試験を行う作業者の負担が大きい。従って、振動モード測定装置２００によれば、試験を行う作業者の負担を大きく減らすことができる。

また、インパクトハンマの代わりに測定対象に加振器を設置して振動を加える方法もあるが、加振器を設置するための十分なスペースを確保する必要があり、小型の産業機械においては、加振器を設置できない場合があり、さらに、加振器が産業機械に加える振動の形態と、実際に産業機械がモータにより駆動された場合の振動の形態とが異なるという場合があるが、振動モード測定装置２００によれば、このような不具合を解消することができる。

１，１ｘ，１ｙ，１ｚ モータ、２，２ｘ，２ｙ，２ｚ 送りねじ、３，３ｘ，３ｙ，３ｚ エンコーダ、４ ワークテーブル、５ コラム、６ ラム、７ 主軸頭、８ カップリング、９ ナット、１０ サポートベアリング、１１ 加振指令生成部、１２ 制御部、１３ 加速度センサ、１４ 振動モード計算部、１５ 振動モード出力部、１６ 機械構造、１７ レーザドップラ振動計、１８ 測定点情報入力部、１９，１９ｘ，１９ｙ，１９ｚ モータ駆動装置、２１ 架台、３０ センサ信号入力ＩＦ、１１０ 加振条件入力部、１１１ 加振方式決定部、１１２ 制御パラメータ計算部、１１３ 加振信号生成部、１２０ 指令値分配部、１２１，１２１ｘ，１２１ｙ，１２１ｚ 位置制御部、１２２，１２２ｘ，１２２ｙ，１２２ｚ 速度制御部、１２２ａ 微分部、１２２ｂ 加算部、１２２ｃ 減算部、１２２ｄ ＰＩ制御部、１２３ 電流値取得部、１２４ 機械情報送信部、１４１ 伝達関数計算部、１４２ 一時記憶領域、１４３ 振動モード同定部、２００ 振動モード測定装置。

Claims (13)

1. １つ以上のモータで構成された機械の機械構造の振動モードを測定する振動モード測定装置において、
   前記モータへの加振指令を生成する加振指令生成部と、
   前記加振指令に基づき前記モータへの電流指令を生成し、モータ加振力の換算値を出力する制御部と、
   前記制御部からモータ電流指令を受け取り、前記モータを駆動するモータ駆動部と、
   前記機械構造の振動を検出する振動センサと、
   前記振動センサにおける１つ以上の貼付点の情報を入力する測定点情報入力部と、
   前記モータ加振力の換算値と前記振動センサの出力を用いて振動モードを計算する振動モード計算部と、
   を有することを特徴とする振動モード測定装置。
2. １つ以上のモータで構成された機械の機械構造の振動モードを測定する振動モード測定装置において、
   前記モータへの加振指令を生成する加振指令生成部と、
   前記加振指令に基づき前記モータへの電流指令を生成し、モータ加振力の換算値および前記機械の状態また位置の情報である機械情報を出力する制御部と、
   前記制御部からモータ電流指令を受け取り、前記モータを駆動するモータ駆動部と、前記機械構造の振動を検出する振動センサと、
   前記振動センサにおける１つ以上の貼付点の情報を入力する測定点情報入力部と、
   前記モータ加振力の換算値と前記振動センサの出力を用いて振動モードを計算すると共に、前記機械情報と前記振動モードとを関連付けて保持する振動モード計算部とを有することを特徴とする振動モード測定装置。
3. １つ以上のモータで構成された機械の機械構造の振動モードを測定する振動モード測定装置において、
   前記モータへの加振指令を生成する加振指令生成部と、
   前記加振指令に基づき前記モータへの電流指令を生成し、モータ加振力の換算値を出力する制御部と、
   前記制御部からモータ電流指令を受け取り、前記モータを駆動するモータ駆動部と、
   外部のセンサの信号を取得するセンサ信号取得インターフェースと、
   前記モータ加振力の換算値と前記センサ信号取得インターフェースで取得したセンサ信号を用いて振動モードを計算する振動モード計算部と、
   前記センサ信号取得インターフェースに接続された外部のセンサの貼付点の情報を入力する測定点情報入力部と、
   を有することを特徴とする振動モード測定装置。
4. 前記振動モード計算部は、前記機械情報と前記振動モードとを関連付けて保持することを特徴とする請求項３に記載の振動モード測定装置。
5. 前記加振指令が前記モータへの速度指令であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の振動モード測定装置。
6. 前記制御部は、位置制御部のゲインを現在の値より小さい値に変更することを特徴とする請求項５に記載の振動モード測定装置。
7. 前記制御部は、加振指令が前記モータへの電流指令であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の振動モード測定装置。
8. 前記制御部は、位置制御部と速度制御部のゲインを現在の値より小さい値に変更することを特徴とする請求項５に記載の振動モード測定装置。
9. 前記振動センサは、加速度センサまたは、速度センサまたは、変位センサであることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の振動モード測定装置。
10. 前記機械情報は、機械の位置、気温、機械の温度、対象物の質量のいずれかの組み合わせまたは、全てであることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の振動モード測定装置。
11. 前記振動モード出力部は、アニメーションまたは、静止画像によって振動を表現して出力することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の振動モード測定装置。
12. 前記測定点情報入力部は、振動センサを貼付した点の３次元の座標値と前記振動センサの貼付方向の情報を含むことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の振動モード測定装置。
13. 前記加振指令生成部は、入力した加振条件を元に加振軸、加振指令の種類と、加振時の制御パラメータの設定値を算出することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の振動モード測定装置。

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