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電気サーボモータ式振動試験機とは

電気サーボモータ式振動試験機

国際計測器の電気サーボモータ式振動試験機は、世界で初めて開発した、ACサーボモータと、ボールスクリューを組合せたサーボモータリニアアクチュエータを搭載しております。

電気サーボモータ式振動試験機は、①付帯設備が少ない。②3軸同時振動試験機の場合も、従来型に比べて導入コストが低い。③サーボモータの同期運転が容易で、多点加振型振動試験に適する。④騒音が少なく、設置スペースも少なく環境性能に優れる。等の多くの特長があります。

電気サーボモータ式多点型振動試験機装置外観

電気サーボモータ式振動試験機の4つの特長

  1. 1.付帯設備が少ない。
    電気サーボモータ式振動試験機の構成は、振動試験機本体、制御盤、振動試験コントローラの3つだけで、その他の冷却装置等の付帯設備は一切必要ありません。
  2. 2.導入コストが低い。
    3軸同時振動試験機の場合も、従来型に比べて、大きく導入コストを低減できます。
  3. 3.サーボモータの同期運転が容易
    大型試験体の振動試験、振動テーブルを複数組合わせた多点加振型振動試験に最適です。
  4. 4.環境性能に優れる。
    騒音が低く、設置スペースも少なくてすみ環境性能に優れた振動試験機です。

電気サーボモータ式振動試験機の動作範囲

周波数範囲としては、DCから300Hz近辺まで、荷重は200kN程度までです。下図に示すように、油圧式の振動試験機と比べると動作荷重は低く、動電型の振動試験機に比べると可動周波数範囲は低くなります。

油圧式試験機と動電型振動試験機の中間的な、動作範囲になります。

振動試験機にサーボモータリニアアクチュエータを搭載するために

サーボモータは、時々刻々と変化する目標に対して、制御する対象を追従させていくことが容易に出来るように設計されたモータの総称です。

サーボモータは、多くの生産ラインにロボットや、NC工作機械等に使用されていますが、このサーボモータを振動試験機に搭載するためには、2つの大きなポイントがあります。

第一は、サーボモータのトルクと応答性の課題です。振動試験機に搭載されるサーボモータには、トルクの最大化と回転子(ローター)の応答性能の2つの相反する性能が要求されますが、トルクを最大化するには、ロータの周囲に発生する磁束密度を増加させる必要があります。これを行うと通常はロータの回転径は大きくなり、応答性能は低下します。

当社が開発したサーボモータは、このロータの慣性モーメントを最小化し、かつ出力を最大に高めることに成功しました。下図参照

第2の課題は、サーボモータへの指令値は、元来変位値(NC数値)であることから、振動試験機の加速度センサーからのアナログ信号をサーボモータの指令値としてどのように変換して、フィードバック回路を構成するかということにあります。

当社では、下図に示す加速度のアナログ信号をフィードバックして、サーボモータ駆動用アンプに指令値として入力できるデジタル振動制御部を新たに開発し、さらにランダム振動を制御可能なランダム振動制御部用の基板を開発しました。

電気サーボモータ式3軸振動試験機の構成

下図に、代表的な電気サーボモータ式振動試験機の外観を示します。

構成は、①振動試験機本体、②制御盤、③PCコントローラの3つです。

振動試験機本体に上下、左右、前後の3軸のサーボモータは、各軸に2基ずつ搭載されています。ボールスクリューは回転を直線運動に変換する役目をもちます。モータが正転するとナット部は一方へ移動し、逆転すると反対側の方向へ移動します。こうしてサーボモータは正転と逆転を繰り返して、振動テーブルを加振させることができます。

電気サーボモータ式振動試験機 外観

ボールスクリューには、JIS B1192−1997  C3級以上の精密タイプボールスクリューを搭載しました。

またこの精密タイプボールスクリューには、各々のボールベアリングの間にボールリテーナーと呼ばれる樹脂製のボール保持部品が組み込まれています。精密タイプボールスクリューの採用により、高精度な走行性能を維持しながら、ボール同士は油膜接触して、衝突や相互摩擦がなく低騒音で、滑らかな動作を行うアクチュエータ部が完成しました。(下図参照)

  • 精密タイプボールスクリュー

当社が振動試験機に搭載しているサーボモータは、1回転26万パルスを出力可能なエンコーダによって制御されています。したがって振動試験機にサーボモータと組合わせて使用しているボールスクリューのリード長を20mmとすれば、変位方向で1μm以下の制御が可能となります。

振動テーブル下部には、レール・ブロック型クロスガイドを搭載しています。
このクロスガイドによりヨーイング方向のモーメント剛性が向上し、振動試験機のクロストークの低減が実現した。また、この平面方向のクロスガイドに加えて、垂直方向のガイドを組み合わせることにより、3軸同時加振時にも、制御が容易で、安定した振動特性を得ることができます。

特にランダム振動試験の伝達関数計測とイタレーションに要する時間は、一般的な質量の供試体で、約3分〜4分で行うことができます。

  • 誘導型ACサーボモータ

多点型3軸振動試験機への応用

サーボモータの特長として、サーボモータ同士の同期運転や増設の容易性が上げられることを、述べました。

現在当社が振動試験機に搭載しているサーボモータは、最大出力22kW、加振力約3000kgfのものです。

仮にこの最大出力22kWのサーボモータを、同期させて運転することができれば、大きな加振力を得ることができ、大型で重い質量の供試体を振動試験することができます。

多点型3m×6mテーブル大型振動試験機 外観

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